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所有时钟的构造都包括两大部分：能够按照固定周期走动的装置，如钟摆；还有一些

计算、累加和显示时间流失的装置，如驱动时钟指针的齿轮。大约年前首次研制出的原

子钟增加了第三部分，即以特定的频率对光和电磁辐射作出反应的原子，这些原子用来控

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制“钟摆”。目前最高级的原子钟，就是利用10个液态金属铯原子对微波辐射产生共振

效应来控制时针的走动。这样的时针每秒约走动1011次，时钟指针走动得越快，时钟计算

的时间也就越精确。

每一种原子都有自己的特征振动频率。人们最熟悉的振动频率现象，就是当食盐被喷

洒到火焰上时，食盐中的元素钠所发出的橘红色的光。一个原子可以具有多种特征振动频

率，可能位于无线电波波段、可见光波段，或介于其中。铯－133则被普遍地选用作原子

钟。

将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。通常是采用锁定晶体

震荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。这一信号处于无线电的微波频谱范围内，并恰巧

与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。

秒的定义

随着精确测量时间的工具不断改进推出，人们自然会怀疑时间单位本身的精确性。时

间量测单位在数学方面定义的很清楚，一秒是1/60分钟，一分钟是1/60小时，亦即一小时

是1/24天，一秒等于一天的1/86400。但事实上，因为地球在运行之速度及距离太阳的改

变，一个太阳日由正午至正午的一段时间，并非都一样长。公元1960年以前，CIPM

（世界度量衡标准会议）以地球自转为基础，定义以平均太阳日之86400分之一作为秒定

义。即1秒＝1/86400平均太阳日。然而地球自转并不稳定，会因其它星体引力的牵引而改

变。公元1960～1967年CIPM改以地球公转为基础，定义公元1900年为平均太阳年。

秒定义更改为：一秒为平均太阳年之9747分之一。公元1967年举行的第十

三届国际计量大会(GeneralConferenceonWeightsandMeasures)选择以铯原子的跃迁做为

秒的新定义，即铯原子同位素Cs133基态超精细能阶跃迁9,192,631,770个周期所经历的时

间，定为1秒（称作「原子秒」），秒的新定义使计时方式进入了原子的时代，此定义一

直维持至今。

1秒＝铯原子单摆摆动9192631次所持续的时间

铯原子钟

利用铯－133原子的某一固定振荡，所做成的国际标准定时器。由于所有的铯原子都

是一样的，因此利用铯原子的特性所制成的定时器，也就具有高度的可靠性与复制性。目

前最先进的铯原子钟技术，例如美国的国家标准与技术署（NIST，NationalInstituteof

StandardsandTechnology）的NIST－F1铯原子钟，已经可以做到2×10－15的精准度，也就

是说，大约二千万年才有一秒的误差。

铯－133原子基态的两个精细分裂能阶

铯－133原子的原子核是由55个质子，和78个中子结合而成，外围则有55个电子绕

着原子核运动。根据量子力学原理，铯原子只能有分立、不连续的能量状态，而这些能阶

则是由原子核外围电子的运行轨域所决定。由于铯－133原子的所有电子，除了最外围的

电子之外，都被原子核的电磁力所束缚，处于相对稳定的状态。当原子最外围的电子的运

动处于基态（groundstate）时，并不易受到原子内其它电子的干扰，只受到除了原子核的

电磁库仑力和微弱的原子核自旋的影响。然而这些微弱的原子核自旋作用，能把基态的能

量再细细地分裂成两个几乎拥有相同能量的能阶，称之为超精细能阶（hyper-fineenergy

levels）。当电子吸收或放出的光子能量符合这两个精细能阶的能量差时，电子就可以在这

两个超精细能阶跃迁，进而改变了整个原子的自旋状态。

传统铯原子钟是藉由铯原子与微波相互作用形成共振吸收，以探测铯原子跃迁能量所

对应的频率而达到实现秒定义之目的。其方法是利用外加磁场将铯原子的两个基态超精细

能阶分离出来：将处在单一能态的铯原子经过微波共振腔振荡场与微波作用后，一部分铯

原子即跃迁至较高能阶，铯原子跃