Cæsiumstandard

Den officielle definition af sekund blev første gang givet af BIPM på den 13. generalkonference om mål og vægt i 1967 som: “Sekundet er varigheden af 9192631770 perioder af den stråling, der svarer til overgangen mellem de to hyperfinniveauer i grundtilstanden hos cæsium 133-atomet.” På sit møde i 1997 tilføjede BIPM følgende specifikation til den tidligere definition: “Denne definition henviser til et cæsiumatom i hvile ved en temperatur på 0 K.”

BIPM genfremsatte denne definition på sin 26. konference (2018): “Den anden defineres ved at tage den faste numeriske værdi af cæsiumfrekvensen ∆Cs, den uforstyrrede hyperfin overgangshyperfine frekvens i grundtilstanden for cæsium 133-atomet, som er 9 192 631 770, når den udtrykkes i enheden Hz, som er lig med s-1.”

Den foregående definition har følgende betydning. Cæsiumatomet har en elektrontilstand i grundtilstanden med konfiguration 6s1 og følgelig atomar term symbol 2S1/2. Det betyder, at der er én uparret elektron, og at atomets samlede elektronspin er 1/2. Desuden har kernen af cæsium-133 et kernespin lig med 7/2. Den samtidige tilstedeværelse af elektronspin og kernespin fører ved en mekanisme, der kaldes hyperfininteraktion, til en (lille) opsplitning af alle energiniveauer i to underniveauer. Det ene underniveau svarer til, at elektron- og kernespin er parallelle (dvs. peger i samme retning), hvilket fører til et samlet spin F svarende til F = 7/2 + 1/2 = 4; det andet underniveau svarer til antiparallelt elektron- og kernespin (dvs. peger i modsatte retninger), hvilket fører til et samlet spin F = 7/2 – 1/2 = 3. I cæsiumatomet sker det, at det energimæssigt laveste underniveau er det med F = 3, mens underniveauet F = 4 ligger energimæssigt lidt over. Når atomet bestråles med elektromagnetisk stråling med en energi, der svarer til den energimæssige forskel mellem de to underniveauer, absorberes strålingen, og atomet exciteres, idet det går fra F = 3 underniveauet til F = 4 underniveauet. Efter en lille brøkdel af et sekund vil atomet genudsende strålingen og vende tilbage til sin F = 3 grundtilstand. Af definitionen af sekundet følger det, at den pågældende stråling har en frekvens på præcis 9,19263177 GHz, hvilket svarer til en bølgelængde på ca. 3,26 cm og derfor hører til mikrobølgeområdet.