Estándar del cesio

La definición oficial del segundo fue dada por primera vez por el BIPM en la 13ª Conferencia General de Pesas y Medidas en 1967 como: «El segundo es la duración de 9192631770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado básico del átomo de cesio 133». En su reunión de 1997, el BIPM añadió a la definición anterior la siguiente especificación «Esta definición se refiere a un átomo de cesio en reposo a una temperatura de 0 K.»

El BIPM reafirmó esta definición en su 26ª conferencia (2018), «El segundo se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia del cesio ∆Cs, la frecuencia de transición hiperfina del átomo de cesio 133 en el estado básico no perturbado, como 9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s-1.»

El significado de la definición anterior es el siguiente. El átomo de cesio tiene un estado de electrones en estado básico con configuración 6s1 y, en consecuencia, símbolo de término atómico 2S1/2. Esto significa que hay un electrón no apareado y que el espín total del electrón del átomo es 1/2. Además, el núcleo del cesio-133 tiene un espín nuclear igual a 7/2. La presencia simultánea de espín electrónico y espín nuclear conduce, por un mecanismo llamado interacción hiperfina, a una (pequeña) división de todos los niveles de energía en dos subniveles. Uno de los subniveles corresponde a los espines electrónico y nuclear paralelos (es decir, que apuntan en la misma dirección), dando lugar a un espín total F igual a F = 7/2 + 1/2 = 4; el otro subnivel corresponde a los espines electrónico y nuclear antiparalelos (es decir, que apuntan en direcciones opuestas), dando lugar a un espín total F = 7/2 – 1/2 = 3. En el átomo de cesio sucede que el subnivel de menor energía es el que tiene F = 3, mientras que el subnivel F = 4 se encuentra energéticamente un poco más arriba. Cuando el átomo es irradiado con una radiación electromagnética que tiene una energía correspondiente a la diferencia energética entre los dos subniveles, la radiación es absorbida y el átomo se excita, pasando del subnivel F = 3 al F = 4. Después de una pequeña fracción de segundo, el átomo volverá a emitir la radiación y regresará a su estado básico F = 3. De la definición del segundo se deduce que la radiación en cuestión tiene una frecuencia de exactamente 9,19263177 GHz, lo que corresponde a una longitud de onda de unos 3,26 cm y, por tanto, pertenece al rango de las microondas.