Атом цезия-133¶

Цезий-133 (Cs-133) — единственный стабильный изотоп химического элемента цезия, ядро которого содержит 55 протонов и 78 нейтронов. В природе встречается исключительно в виде этого изотопа, составляя 100 % природного цезия. Благодаря уникальным свойствам сверхтонкой структуры основного состояния атома, цезий-133 используется в качестве эталона времени в Международной системе единиц (СИ): секунда определяется через частоту излучения, соответствующую переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

¶История открытия и изучения

Цезий был открыт в 1860 году немецкими учёными Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом методом спектрального анализа. Они обнаружили две яркие синие линии в спектре минеральной воды из Дюркгейма (Германия), что дало название элементу (от лат. caesius — небесно-голубой). Природный цезий представлен единственным стабильным изотопом с массовым числом 133, который был идентифицирован как основной компонент элемента.

В 1955 году британский физик Луи Эссен в Национальной физической лаборатории (Великобритания) построил первый цезиевый атомный эталон частоты, основанный на переходах в атоме цезия-133. В 1967 году на XIII Генеральной конференции по мерам и весам секунда была определена через частоту излучения цезия-133, что закрепило роль этого изотопа в метрологии.

¶Физические свойства атома

¶Ядерные характеристики

Массовое число: 133
Количество протонов: 55
Количество нейтронов: 78
Атомная масса: 132,90545196 а.е.м. (точность ± 0,00000002)
Спин ядра: 7/2
Магнитный момент ядра: 2,582 ядерных магнетона

¶Электронная оболочка

Атом цезия-133 имеет электронную конфигурацию [Xe] 6s¹. Внешний валентный электрон находится на 6s-орбитали, что определяет химические свойства элемента. Основное состояние атома характеризуется электронным термом ²S₁/₂.

¶Сверхтонкая структура

Сверхтонкое расщепление основного состояния атома цезия-133 возникает из-за взаимодействия магнитного момента ядра с магнитным полем, создаваемым электронной оболочкой. В результате уровень ²S₁/₂ расщепляется на два подуровня с квантовыми числами F = 3 и F = 4 (где F — полный угловой момент атома). Энергетический зазор между этими подуровнями составляет примерно 5,9 × 10⁻⁵ эВ.

¶Эталон времени

¶Определение секунды

Согласно современному определению, принятому в 1967 году (уточнено в 1997 и 2018 годах), секунда — это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это значение было выбрано для согласования с астрономической секундой, определённой по эфемеридному времени.

¶Цезиевые стандарты частоты

Цезиевые атомные часы работают на принципе пучкового метода: атомы цезия-133 испаряются, проходят через магнитное поле, разделяющее состояния с разными F, затем подвергаются воздействию микроволнового излучения на частоте около 9,19 ГГц. При точном совпадении частоты с резонансной происходит переход атомов между уровнями, что регистрируется детектором. Система обратной связи поддерживает генератор на этой частоте.

Современные цезиевые фонтаны (например, NIST-F2 в США или PTB-CSF2 в Германии) достигают неопределённости хода порядка 10⁻¹⁶, что соответствует ошибке в одну секунду за 300 миллионов лет.

¶Применение в науке и технике

¶Метрология

Цезий-133 является основой глобальной системы времени: все национальные эталоны времени калибруются по цезиевым стандартам. Спутниковые навигационные системы (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) используют синхронизацию по атомным часам на основе цезия-133.

¶Спектроскопия

Сверхтонкая структура цезия-133 служит модельным объектом для изучения квантовой электродинамики, эффектов слабого взаимодействия и поиска новой физики за пределами Стандартной модели. Точные измерения частоты перехода позволяют проверять фундаментальные константы.

¶Квантовые технологии

Атомы цезия-133 используются в экспериментах по квантовой памяти, квантовой криптографии и создании квантовых процессоров. Благодаря большому времени жизни возбуждённых состояний и удобству оптического охлаждения, цезий применяется в лазерном охлаждении и создании конденсатов Бозе — Эйнштейна.

¶Интересные факты

Частота перехода цезия-133 (9 192 631 770 Гц) была выбрана не случайно: она обеспечивает наилучшее совпадение с эфемеридной секундой, определённой по движению Земли.
В 1999 году американский физик Дэвид Вайнленд получил Нобелевскую премию за лазерное охлаждение ионов, в том числе ионов цезия.
Атом цезия-133 имеет самый большой среди стабильных изотопов атомный радиус (265 пм), что делает его одним из наиболее реакционноспособных металлов.
В природе цезий-133 не подвержен радиоактивному распаду, однако искусственно полученные изотопы цезия (например, Cs-137) являются радиоактивными и используются в медицине и промышленности.

¶Источники

Международное бюро мер и весов (BIPM). «Определение секунды». 9-е издание Брошюры SI, 2019.
Essén, L. (1955). «A new atomic frequency standard». Nature, 176(4476), 280–282.
Ramsey, N. F. (1990). «Experiments with separated oscillatory fields and hydrogen masers». Reviews of Modern Physics, 62(3), 541–552.
Arimondo, E. (1996). «Coherent population trapping in laser spectroscopy». Progress in Optics, 35, 257–354.
Государственный первичный эталон времени и частоты РФ (ГСВЧ-1). Технические характеристики, ВНИИФТРИ, 2020.