Céziový etalon

Oficiální definice sekundy byla poprvé uvedena BIPM na 13. generální konferenci o mírách a váhách v roce 1967 jako: „Sekunda je doba trvání 9192631770 period záření odpovídající přechodu mezi dvěma hyperjemnými hladinami základního stavu atomu cesia 133“. Na svém zasedání v roce 1997 BIPM doplnil předchozí definici o následující upřesnění: „Tato definice se vztahuje na atom cesia v klidu při teplotě 0 K.“

Na své 26. konferenci (2018) BIPM tuto definici přeformuloval: „Sekunda je definována tak, že se vezme pevná číselná hodnota frekvence cesia ∆Cs, frekvence neporušeného hyperjemného přechodu základního stavu atomu cesia 133, která je 9 192 631 770, je-li vyjádřena v jednotce Hz, což je rovno s-1.“

Význam předchozí definice je následující. Atom cesia má elektronový stav v základním stavu s konfigurací 6s1, a tudíž atomový term symbol 2S1/2. To znamená, že v atomu je jeden nespárovaný elektron a celkový spin elektronů je 1/2. Kromě toho má jádro cesia-133 jaderný spin rovný 7/2. Současná přítomnost elektronového a jaderného spinu vede mechanismem zvaným hyperjemná interakce k (malému) rozdělení všech energetických hladin na dvě podhladiny. Jedna z podhladin odpovídá elektronovému a jadernému spinu, které jsou paralelní (tj. směřují stejným směrem), což vede k celkovému spinu F rovnému F = 7/2 + 1/2 = 4; druhá podhladina odpovídá antiparalelnímu elektronovému a jadernému spinu (tj. směřují opačným směrem), což vede k celkovému spinu F = 7/2 – 1/2 = 3. V atomu cesia je to tak, že podhladina s nejnižší energií je ta s F = 3, zatímco podhladina F = 4 leží energeticky o něco výše. Když je atom ozářen elektromagnetickým zářením s energií odpovídající energetickému rozdílu mezi oběma podúrovněmi, záření je pohlceno a atom je excitován, přičemž přejde z podúrovně F = 3 na podúroveň F = 4. Po malém zlomku sekundy atom záření opět vyzáří a vrátí se do základního stavu F = 3. Z definice sekundy vyplývá, že dané záření má frekvenci přesně 9,19263177 GHz, což odpovídá vlnové délce přibližně 3,26 cm, a patří tedy do mikrovlnného pásma.

.