Standard del cesio

La definizione ufficiale del secondo è stata data per la prima volta dal BIPM alla 13a Conferenza generale dei pesi e delle misure nel 1967 come: “Il secondo è la durata di 9192631770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio 133.” Nella sua riunione del 1997 il BIPM ha aggiunto alla definizione precedente la seguente specificazione: “Questa definizione si riferisce a un atomo di cesio a riposo alla temperatura di 0 K.”

Il BIPM ha riaffermato questa definizione nella sua 26a conferenza (2018), “La seconda è definita prendendo il valore numerico fisso della frequenza del cesio ∆Cs, la frequenza imperturbata di transizione iperfine dello stato di terra dell’atomo di cesio 133, per essere 9 192 631 770 quando espresso nell’unità Hz, che è uguale a s-1.”

Il significato della definizione precedente è il seguente. L’atomo di cesio ha uno stato elettronico di massa con configurazione 6s1 e, di conseguenza, termine atomico simbolo 2S1/2. Ciò significa che c’è un elettrone spaiato e lo spin totale dell’atomo è 1/2. Inoltre, il nucleo del cesio-133 ha uno spin nucleare pari a 7/2. La presenza simultanea di spin elettronico e spin nucleare porta, per un meccanismo chiamato interazione iperfine, ad una (piccola) scissione di tutti i livelli energetici in due sottolivelli. Uno dei sottolivelli corrisponde a spin elettronici e nucleari paralleli (cioè che puntano nella stessa direzione), portando a uno spin totale F uguale a F = 7/2 + 1/2 = 4; l’altro sottolivello corrisponde a spin elettronici e nucleari antiparalleli (cioè che puntano in direzioni opposte), portando a uno spin totale F = 7/2 – 1/2 = 3. Nell’atomo di cesio succede che il sottolivello più basso in energia è quello con F = 3, mentre il sottolivello F = 4 si trova energeticamente poco sopra. Quando l’atomo viene irradiato con una radiazione elettromagnetica avente un’energia corrispondente alla differenza energetica tra i due sottolivelli, la radiazione viene assorbita e l’atomo viene eccitato, passando dal sottolivello F = 3 a quello F = 4. Dopo una piccola frazione di secondo l’atomo riemette la radiazione e ritorna allo stato fondamentale F = 3. Dalla definizione di secondo segue che la radiazione in questione ha una frequenza di esattamente 9,19263177 GHz, corrispondente a una lunghezza d’onda di circa 3,26 cm e quindi appartenente alla gamma delle microonde.