Cesium-standardi

BIMM antoi sekunnin virallisen määritelmän ensimmäisen kerran 13. yleiskonferenssissa vuonna 1967 seuraavasti: ”Sekunti on cesium 133 -atomin perustilan kahden hyperfiinitason välistä siirtymää vastaavan säteilyn 9192631770 jakson kesto.”.” Vuoden 1997 kokouksessaan BIPM lisäsi edelliseen määritelmään seuraavan määritelmän: ”Tämä määritelmä viittaa cesiumatomiin, joka on levossa 0 K:n lämpötilassa.”

BIPM muotoili tämän määritelmän uudelleen 26. kokouksessaan (2018): ”Sekunti määritellään ottamalla cesiumin taajuuden ∆Cs, cesium 133 -atomin häiriintymättömän perustilan hyperfiinisiirtymätaajuuden, kiinteä numeerinen arvo, joka on 9 192 631 770, kun se ilmaistaan yksikkönä Hz, joka on yhtä suuri kuin sekunti s-1….”

Esimäisen määritelmän merkitys on seuraava. Cesiumatomilla on perustilassa elektronitila, jonka konfiguraatio on 6s1 ja näin ollen atomitermin symboli 2S1/2. Tämä tarkoittaa, että parittomia elektroneja on yksi ja atomin kokonaiselektronispin on 1/2. Lisäksi cesium-133:n ytimen ydinspin on 7/2. Elektronin spinin ja ydinspinin samanaikainen läsnäolo johtaa hyperfiini-vuorovaikutukseksi kutsutun mekanismin avulla kaikkien energiatasojen (pieneen) jakautumiseen kahteen alatasoon. Toinen alatasoista vastaa sitä, että elektronin ja ytimen spin ovat samansuuntaisia (eli osoittavat samaan suuntaan), jolloin kokonaisspiini F on F = 7/2 + 1/2 = 4; toinen alataso vastaa sitä, että elektronin ja ytimen spin ovat vastakkaissuuntaisia (eli osoittavat vastakkaisiin suuntiin), jolloin kokonaisspiini on F = 7/2 – 1/2 = 3. Cesiumatomissa käy niin, että alimmalla energialla varustettu alataso on energiatasoltaan alin alataso, jolla on F = 3, kun taas alatason F = 4 yläpuolella on energiatasoltaan hieman korkeampi. Kun atomiin säteilytetään sähkömagneettista säteilyä, jonka energia vastaa näiden kahden alatason energiaeroa, säteily absorboituu ja atomi kiihdytetään siirtymällä F = 3 -tasolta F = 4 -tasolle. Pienen sekunnin murto-osan kuluttua atomi emittoi säteilyn uudelleen ja palaa F = 3 -perustilaansa. Sekunnin määritelmästä seuraa, että kyseisen säteilyn taajuus on tasan 9,19263177 GHz, mikä vastaa noin 3,26 cm:n aallonpituutta ja kuuluu siten mikroaaltoalueeseen.