Cesiumstandard

Den officiella definitionen av sekunden gavs först av BIPM vid den 13:e allmänna konferensen om mått och vikt 1967: ”Sekunden är varaktigheten på 9192631770 perioder av den strålning som motsvarar övergången mellan de två hyperfinnivåerna i grundtillståndet hos cesium 133-atomen”. Vid sitt möte 1997 lade BIPM till den tidigare definitionen följande specifikation: ”Denna definition avser en cesiumatom i vila vid en temperatur på 0 K.”

BIPM återgav denna definition vid sin 26:e konferens (2018): ”Den andra definieras genom att det fasta numeriska värdet av cesiumfrekvensen ∆Cs, den ostörda hyperfin övergångsfrekvensen för cesium 133-atomens hyperfina tillstånd i grundtillståndet, är 9 192 631 770 när den uttrycks i enheten Hz, som är lika med s-1.”

Beskrivningen av den föregående definitionen är följande. Cesiumatomen har ett elektrontillstånd i grundtillståndet med konfiguration 6s1 och följaktligen atomtermsymbol 2S1/2. Detta innebär att det finns en oparad elektron och att atomens totala elektronspinn är 1/2. Dessutom har kärnan i cesium-133 ett kärnspin som är lika med 7/2. Den samtidiga förekomsten av elektronspin och kärnspin leder, genom en mekanism som kallas hyperfininteraktion, till en (liten) uppdelning av alla energinivåer i två undernivåer. Den ena undernivån motsvarar att elektron- och kärnspinnet är parallella (dvs. pekar i samma riktning), vilket leder till ett totalt spinn F lika med F = 7/2 + 1/2 = 4. Den andra undernivån motsvarar antiparallellt elektron- och kärnspinn (dvs. pekar i motsatta riktningar), vilket leder till ett totalt spinn F = 7/2 – 1/2 = 3. I cesiumatomen råkar det vara så att den energimässigt lägsta undernivån är den med F = 3, medan undernivån med F = 4 ligger energetiskt sett något över. När atomen bestrålas med elektromagnetisk strålning med en energi som motsvarar den energetiska skillnaden mellan de två undernivåerna absorberas strålningen och atomen exciteras och går från F = 3 undernivån till F = 4 undernivån. Efter en liten bråkdel av en sekund kommer atomen att åter avge strålningen och återgå till sitt F = 3 grundtillstånd. Av definitionen av sekunden följer att strålningen i fråga har en frekvens på exakt 9,19263177 GHz, vilket motsvarar en våglängd på cirka 3,26 cm och därför tillhör mikrovågsområdet.