Padrão de césio

A definição oficial da segunda foi dada pela primeira vez pelo BIPM na 13ª Conferência Geral de Pesos e Medidas, em 1967, como: “A segunda é a duração de 9192631770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado do solo do átomo de césio 133.” Na sua reunião de 1997, o BIPM acrescentou à definição anterior a seguinte especificação: “Esta definição refere-se a um átomo de césio em repouso a uma temperatura de 0 K.”

O BIPM restabeleceu esta definição na sua 26ª conferência (2018), “A segunda é definida tomando o valor numérico fixo da frequência de césio ∆Cs, a frequência de transição hiperfina do estado da terra do átomo de césio 133, para ser 9 192 631 770 quando expresso na unidade Hz, que é igual a s-1.”

O significado da definição anterior é o seguinte. O átomo de césio tem um estado de elétron em estado de terra com configuração 6s1 e, consequentemente, o símbolo do termo atômico 2S1/2. Isto significa que existe um electrão não emparelhado e o spin total do átomo é 1/2. Além disso, o núcleo do césio-133 tem um spin nuclear igual a 7/2. A presença simultânea de spin de elétron e spin nuclear leva, por um mecanismo chamado interação hiperfina, a uma (pequena) divisão de todos os níveis de energia em dois subníveis. Um dos subníveis corresponde ao facto do electrão e do spin nuclear serem paralelos (isto é, apontando na mesma direcção), levando a um spin total F igual a F = 7/2 + 1/2 = 4; o outro subnível corresponde ao electrão anti-paralelo e ao spin nuclear (isto é, apontando em direcções opostas), levando a um spin total F = 7/2 – 1/2 = 3. No átomo de césio acontece que o subnível mais baixo em energia é o que tem F = 3, enquanto que o subnível F = 4 fica energeticamente ligeiramente acima. Quando o átomo é irradiado com radiação electromagnética tendo uma energia correspondente à diferença energética entre os dois sub-níveis, a radiação é absorvida e o átomo é excitado, passando do sub-nível F = 3 para o F = 4 um. Após uma pequena fracção de segundo, o átomo volta a emitir a radiação e regressa ao seu estado de F = 3 terra. Da definição do segundo resulta que a radiação em questão tem uma frequência de exactamente 9,19263177 GHz, correspondendo a um comprimento de onda de cerca de 3,26 cm e portanto pertencendo à gama de microondas.