Standardul de cesiu

Definiția oficială a secundei a fost dată pentru prima dată de BIPM la cea de-a 13-a Conferință Generală a Greutăților și Măsurilor din 1967 ca fiind: „Secunda este durata de 9192631770 perioade a radiației corespunzătoare tranziției dintre cele două niveluri hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu 133”. La reuniunea sa din 1997, BIPM a adăugat la definiția anterioară următoarea specificație: „Această definiție se referă la un atom de cesiu în repaus la o temperatură de 0 K.”

BIPM a reafirmat această definiție în cadrul celei de-a 26-a conferințe (2018): „Secunda se definește luând valoarea numerică fixă a frecvenței cesiului ∆Cs, frecvența de tranziție hiperfină a stării fundamentale neperturbate a atomului de cesiu 133, ca fiind 9 192 631 770 atunci când este exprimată în unitatea Hz, care este egală cu s-1.”

Semnificația definiției precedente este următoarea. Atomul de cesiu are o stare electronică de stare fundamentală cu configurația 6s1 și, în consecință, simbolul termenului atomic 2S1/2. Aceasta înseamnă că există un electron neperecheat și că spinul total al electronului atomului este 1/2. În plus, nucleul de cesiu-133 are un spin nuclear egal cu 7/2. Prezența simultană a spinului electronic și a spinului nuclear conduce, printr-un mecanism numit interacțiune hiperfină, la o (mică) scindare a tuturor nivelurilor energetice în două subniveluri. Unul dintre subniveluri corespunde spinului electronic și nuclear paralel (adică îndreptat în aceeași direcție), ceea ce duce la un spin total F egal cu F = 7/2 + 1/2 = 4; celălalt subnivel corespunde spinului electronic și nuclear antiparalel (adică îndreptat în direcții opuse), ceea ce duce la un spin total F = 7/2 – 1/2 = 3. În atomul de cesiu se întâmplă ca subnivelul cu cea mai mică energie să fie cel cu F = 3, în timp ce subnivelul F = 4 se află, din punct de vedere energetic, puțin mai sus. Atunci când atomul este iradiat cu o radiație electromagnetică având o energie corespunzătoare diferenței energetice dintre cele două subniveluri, radiația este absorbită și atomul este excitat, trecând de la subnivelul F = 3 la cel F = 4. După o mică fracțiune de secundă, atomul va reemite radiația și va reveni la starea fundamentală F = 3. Din definiția secundei rezultă că radiația în cauză are o frecvență de exact 9,19263177 GHz, ceea ce corespunde unei lungimi de undă de aproximativ 3,26 cm și, prin urmare, aparține domeniului microundei.

.