Cézium szabvány

A másodperc hivatalos definícióját a BIPM először 1967-ben, a 13. Általános Súly- és Mértékügyi Konferencián adta meg a következőképpen: “A másodperc a cézium 133 atom alapállapotának két hiperfinom szintje közötti átmenetnek megfelelő sugárzás 9192631770 periódusának időtartama”. A BIPM 1997-es ülésén a korábbi meghatározást a következő specifikációval egészítette ki: “Ez a meghatározás 0 K hőmérsékleten nyugalmi állapotban lévő céziumatomra vonatkozik.”

A BIPM 26. konferenciáján (2018) újrafogalmazta ezt a meghatározást: “A másodperc meghatározása úgy történik, hogy a cézium 133 atom zavarmentes alapállapotú hiperfinom átmenetének frekvenciája, a ∆Cs rögzített számértékét 9 192 631 770-nek vesszük, ha Hz egységben fejezzük ki, ami s-1-nek felel meg.”

Az előző meghatározás jelentése a következő. A céziumatom alapállapotú elektronállapota 6s1 konfigurációjú, következésképpen 2S1/2 atomi terminus szimbólummal rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy az atomban egy párosítatlan elektron van, és az atom teljes elektronspinje 1/2. Ezenkívül a cézium-133 atommagjának magspinje 7/2-nek felel meg. Az elektronspin és a magspin egyidejű jelenléte a hiperfinom kölcsönhatásnak nevezett mechanizmus révén az összes energiaszint két részszintre való (kis mértékű) felosztásához vezet. Az egyik részszint az elektron és a magspin párhuzamos (azaz azonos irányba mutató) spinjének felel meg, ami F = 7/2 + 1/2 = 4 összspint eredményez; a másik részszint az elektron és a magspin antipárhuzamos (azaz ellentétes irányba mutató) spinjének felel meg, ami F = 7/2 – 1/2 = 3 összspint eredményez. A céziumatomban az a helyzet, hogy az F = 3 energiájú részszint a legalacsonyabb energiájú, míg az F = 4 részszint energetikailag kissé felette helyezkedik el. Amikor az atomot a két részszint közötti energiakülönbségnek megfelelő energiájú elektromágneses sugárzással besugározzuk, a sugárzás elnyelődik, és az atom gerjesztett állapotba kerül, az F = 3 részszintről az F = 4 részszintre lép. A másodperc töredéke után az atom újra kibocsátja a sugárzást, és visszatér az F = 3 alapállapotba. A másodperc meghatározásából következik, hogy a szóban forgó sugárzás frekvenciája pontosan 9,19263177 GHz, ami kb. 3,26 cm-es hullámhossznak felel meg, és így a mikrohullámú tartományba tartozik.