Cesiumstandaard

De officiële definitie van de seconde werd voor het eerst gegeven door het BIPM op de 13e Algemene Conferentie voor maten en gewichten in 1967 als: “De seconde is de duur van 9192631770 perioden van de straling die overeenkomt met de overgang tussen de twee hyperfijnniveaus van de grondtoestand van het cesium 133-atoom.” Op zijn vergadering van 1997 heeft het BIPM aan de vorige definitie de volgende specificatie toegevoegd: “Deze definitie heeft betrekking op een cesiumatoom in rust bij een temperatuur van 0 K.”

Het BIPM heeft deze definitie in zijn 26e conferentie (2018) geherformuleerd: “De tweede wordt gedefinieerd door de vaste numerieke waarde van de cesiumfrequentie ∆Cs, de onverstoorde hyperfijne overgangsfrequentie van de grondtoestand van het cesium 133-atoom, te nemen op 9 192 631 770 wanneer uitgedrukt in de eenheid Hz, die gelijk is aan s-1.”

De betekenis van de voorgaande definitie is als volgt. Het cesiumatoom heeft een elektronentoestand in de grondtoestand met configuratie 6s1 en, bijgevolg, atoombegripssymbool 2S1/2. Dit betekent dat er één ongepaard elektron is en dat de totale elektronspin van het atoom 1/2 is. Bovendien heeft de kern van cesium-133 een kernspin gelijk aan 7/2. De gelijktijdige aanwezigheid van elektronspin en kernspin leidt, door een mechanisme dat hyperfijne wisselwerking wordt genoemd, tot een (kleine) splitsing van alle energieniveaus in twee subniveaus. Eén van de subniveaus komt overeen met elektron- en kernspin parallel (d.w.z. in dezelfde richting wijzend), wat leidt tot een totale spin F gelijk aan F = 7/2 + 1/2 = 4; het andere subniveau komt overeen met anti-parallelle elektron- en kernspin (d.w.z. in tegengestelde richting wijzend), wat leidt tot een totale spin F = 7/2 – 1/2 = 3. In het cesiumatoom is het subniveau met de laagste energie toevallig dat met F = 3, terwijl het subniveau F = 4 er energetisch iets boven ligt. Wanneer het atoom wordt bestraald met elektromagnetische straling met een energie die overeenkomt met het energetische verschil tussen de twee sub-niveaus, wordt de straling geabsorbeerd en wordt het atoom geëxciteerd, waarbij het van het F = 3 sub-niveau naar het F = 4 sub-niveau gaat. Na een kleine fractie van een seconde zendt het atoom de straling weer uit en keert terug naar zijn F = 3 grondtoestand. Uit de definitie van de seconde volgt dat de straling in kwestie een frequentie heeft van precies 9,19263177 GHz, wat overeenkomt met een golflengte van ongeveer 3,26 cm en dus behoort tot het microgolfgebied.