Wzorzec cezu

Oficjalna definicja sekundy została po raz pierwszy podana przez BIPM na XIII Generalnej Konferencji Miar i Wag w 1967 roku jako: „Sekunda jest to czas trwania 9192631770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami nadsubtelnymi stanu podstawowego atomu cezu 133”. Na posiedzeniu w 1997 r. BIPM dodał do poprzedniej definicji następującą specyfikację: „Ta definicja odnosi się do atomu cezu w stanie spoczynku w temperaturze 0 K.”

BIPM ponownie przedstawił tę definicję na swojej 26 konferencji (2018), „Drugi jest zdefiniowany przez przyjęcie stałej wartości liczbowej częstotliwości cezu ∆Cs, niezakłóconej częstotliwości przejścia nadsubtelnego w stanie podstawowym atomu cezu 133, aby wynosić 9 192 631 770, gdy jest wyrażona w jednostce Hz, która jest równa s-1.”

Znaczenie poprzedniej definicji jest następujące. Atom cezu posiada stan elektronowy w stanie podstawowym o konfiguracji 6s1 i w związku z tym symbol terminu atomowego 2S1/2. Oznacza to, że w atomie znajduje się jeden niesparowany elektron, a całkowity spin elektronowy atomu wynosi 1/2. Ponadto, jądro cezu-133 ma spin jądrowy równy 7/2. Jednoczesna obecność spinu elektronowego i jądrowego prowadzi, poprzez mechanizm zwany oddziaływaniem nadsubtelnym, do (niewielkiego) rozszczepienia wszystkich poziomów energetycznych na dwa podpoziomy. Jeden z podpoziomów odpowiada elektronowemu i jądrowemu spinowi równoległemu (tzn. skierowanemu w tym samym kierunku), co prowadzi do całkowitego spinu F równego F = 7/2 + 1/2 = 4; drugi podpoziom odpowiada antyrównoległemu elektronowemu i jądrowemu spinowi (tzn. skierowanemu w przeciwnych kierunkach), co prowadzi do całkowitego spinu F = 7/2 – 1/2 = 3. W atomie cezu tak się składa, że podpoziomem o najniższej energii jest podpoziom o F = 3, podczas gdy podpoziom F = 4 leży energetycznie nieco powyżej. Gdy atom jest napromieniowany promieniowaniem elektromagnetycznym o energii odpowiadaj±cej różnicy energetycznej pomiędzy tymi dwoma podpoziomami, promieniowanie to zostaje zaabsorbowane i atom zostaje wzbudzony, przechodz±c z podpoziomu F = 3 na podpoziom F = 4. Po niewielkim ułamku sekundy atom ponownie wyemituje promieniowanie i powróci do stanu podstawowego F = 3. Z definicji sekundy wynika, że omawiane promieniowanie ma częstotliwość dokładnie 9,19263177 GHz, co odpowiada długości fali około 3,26 cm, a więc należy do zakresu mikrofalowego.

.