Relógio atômico

Relógio atômico é um dispositivo que realiza a contagem das transições de energia dos elétrons de alguns elementos químicos para medir a passagem do tempo de forma extremamente precisa. Um bom relógio atômico é capaz de se atrasar menos de um segundo a cada um milhão de anos. No entanto, atualmente, já existem relógios atômicos que não se atrasariam sequer um segundo nem mesmo se funcionassem durante 138 milhões de anos.

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Resumo sobre relógio atômico

• O relógio atômico é um dispositivo usado para realizar medidas de tempo precisas.
• Ele é capaz de detectar pequenas oscilações de energia nos átomos decorrentes de transições energéticas quânticas, que são chamadas de transições hiperfinas.
• Funciona por meio da contagem do número de transições hiperfinas de energia do estado fundamental para o primeiro estado excitado dos átomos de césio, de hidrogênio ou de rubídio-87.
• Sua principal vantagem é a grande precisão com a qual realiza medidas de tempo.
• O primeiro relógio atômico foi criado pelo estadunidense Willard Libby, em 1946, e baseava-se nas transições do césio-133.
• A principal aplicação dos relógios atômicos é a calibração dos GPS (Sistema de Posicionamento Global).

Como o relógio atômico funciona?

Relógios atômicos são grandes máquinas capazes de detectar pequenas oscilações de energia nos átomos decorrentes de transições energéticas quânticas, que são chamadas de transições hiperfinas. Assim como todo relógio, os relógios atômicos medem a passagem do tempo por meio da contagem de oscilações de um ressonador.

Nos relógios antigos, por exemplo, contava-se o número de oscilações completas de um pêndulo. Nos relógios digitais de pulso, contam-se as oscilações produzidas por um cristal piezoelétrico de quartzo, que produz uma leve vibração quando sujeito a um estímulo elétrico. Nos relógios atômicos, por sua vez, é comum contar-se o número de transições hiperfinas de energia do estado fundamental para o primeiro estado excitado dos átomos de césio. A cada 9.192.631.770 de transições nesse elemento, tem-se exatamente 1 segundo, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI).

Além dos relógios atômicos que medem o tempo a partir do césio, existem aqueles que fazem a contagem de transições hiperfinas para outros elementos, como o hidrogênio e o rubídio-87.

Vantagens do relógio atômico

A grande vantagem dos relógios atômicos em relação aos relógios convencionais é que o número de transições hiperfinas de todos os átomos de césio ou de qualquer que seja o elemento utilizado por ele é igual, não havendo diferenças de medida relacionadas com a fonte ressonadora, como ocorre naturalmente nos cristais de quartzo. Estes, quando fabricados, podem apresentar diferenças em sua estrutura, ainda que muito pequenas.

A única fonte de erros na medida do tempo dos relógios atômicos está relacionada com a contagem das transições, que é feita pela captação de micro-ondas de baixíssima intensidade.

Quem inventou o relógio atômico?

O primeiro relógio atômico foi criado pelo estadunidense Willard Libby, em 1946, e baseava-se nas transições do césio-133. Ele apresentava um atraso de 1 segundo em 300 mil anos de operação.

O primeiro relógio atômico preciso foi desenvolvido em 1955, no National Physics Laboratory, um importante laboratório de Física do Reino Unido. O relógio em questão foi utilizado para criar a definição de segundo usada atualmente pelo SI.

O primeiro relógio atômico comercial foi o Atomichron, criado em 1956. Ele foi vendido a companhias de aviação, de telecomunicações, entre outras.

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Onde o relógio atômico é usado?

Talvez a aplicação mais relevante dos relógios atômicos seja a calibração dos GPS (Sistema de Posicionamento Global). Os GPS funcionam medindo a diferença de tempo entre ondas eletromagnéticas emitidas para diferentes pontos da Terra, calculando, dessa forma, a posição da fonte emissora. A gravidade da Terra, no entanto, causa pequenas distorções no espaço-tempo, que são corrigidas com o uso de relógios atômicos simultâneos. Sistemas de comunicação que utilizam satélites, como internet, telefone e televisão, também se beneficiam do uso dos relógios atômicos.

Atualmente, existem relógios atômicos portáteis, os quais utilizam o elemento rubídio e podem ser usados em sistemas de aviação, em satélites ou em aplicações comerciais. Possuem custo e vida útil relativamente baixos. Os relógios atômicos mais exatos, no entanto, apresentam grandes dimensões, são de alto custo e possuem uma precisão assustadora: o relógio utilizado nos Estados Unidos da América (NIST-F2) não se atrasará um segundo sequer nos próximos 300 milhões de anos.

Créditos de imagem

^[1] Geogif / Shutterstock

^[2] karenfoleyphotography / Shutterstock

Fontes

DW. 1946: Apresentado o relógio atômico, de precisão espetacular. Disponível em: https://www.dw.com/pt-br/1946-apresentado-o-rel%C3%B3gio-at%C3%B4mico-de-precis%C3%A3o-espetacular/a-686666.

Microchip. MHM 2010 Active Hydrogen Maser. Disponível em: https://www.microsemi.com/product-directory/active-hydrogen-maser/4123-mhm-2010-active-hydrogen-maser.

Microchip. 5071A Cesium Primary Time and Frequency Standard. Disponível em: https://www.microchip.com/en-us/products/clock-and-timing/components/atomic-clocks/atomic-system-clocks/cesium-time/5071a#overview

Stanford Research Systems. Rubidium Oscillator. Disponível em: https://www.thinksrs.com/products/prs10.html.