Étalon de césium

La définition officielle de la seconde a été donnée pour la première fois par le BIPM lors de la 13e Conférence générale des poids et mesures en 1967 comme suit : « La seconde est la durée de 9192631770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133. » Lors de sa réunion de 1997, le BIPM a ajouté à la définition précédente la spécification suivante : « Cette définition se réfère à un atome de césium au repos à une température de 0 K. »

Le BIPM a reformulé cette définition dans sa 26e conférence (2018), « La seconde est définie en prenant la valeur numérique fixe de la fréquence du césium ∆Cs, la fréquence de transition hyperfine non perturbée de l’état fondamental de l’atome de césium 133, pour être 9 192 631 770 lorsqu’elle est exprimée dans l’unité Hz, qui est égale à s-1. »

Le sens de la définition précédente est le suivant . L’atome de césium possède un état électronique fondamental de configuration 6s1 et, par conséquent, un symbole de terme atomique 2S1/2. Cela signifie qu’il y a un électron non apparié et que le spin électronique total de l’atome est de 1/2. De plus, le noyau du césium-133 a un spin nucléaire égal à 7/2. La présence simultanée du spin électronique et du spin nucléaire conduit, par un mécanisme appelé interaction hyperfine, à une (petite) division de tous les niveaux d’énergie en deux sous-niveaux. L’un des sous-niveaux correspond à un spin électronique et nucléaire parallèle (c’est-à-dire orienté dans la même direction), ce qui donne un spin total F égal à F = 7/2 + 1/2 = 4 ; l’autre sous-niveau correspond à un spin électronique et nucléaire antiparallèle (c’est-à-dire orienté dans des directions opposées), ce qui donne un spin total F = 7/2 – 1/2 = 3. Dans l’atome de césium, il se trouve que le sous-niveau le plus faible en énergie est celui qui a F = 3, tandis que le sous-niveau F = 4 se trouve énergétiquement légèrement au-dessus. Lorsque l’atome est irradié par un rayonnement électromagnétique dont l’énergie correspond à la différence énergétique entre les deux sous-niveaux, le rayonnement est absorbé et l’atome est excité, passant du sous-niveau F = 3 à celui de F = 4. Après une petite fraction de seconde, l’atome réémet le rayonnement et retourne à son état fondamental F = 3. De la définition de la seconde, il résulte que le rayonnement en question a une fréquence d’exactement 9,19263177 GHz, correspondant à une longueur d’onde d’environ 3,26 cm et appartenant donc à la gamme des micro-ondes.