[1] Juan Sebastián Hernández R




descargar 52.03 Kb.
título[1] Juan Sebastián Hernández R
fecha de publicación12.08.2016
tamaño52.03 Kb.
tipoDocumentos
med.se-todo.com > Derecho > Documentos
RELOJES ATÓMICOS

Sebastián David Vega C.,[1] Juan Sebastián Hernández R., [1] Nicolás Aristizabal Hernández, [1] Jesús David Tonguino C., [1] Diego Gonzalo Pulido R. [1] y Andrés Augusto Ovalle M., [1]

1 Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Química

Palabras clave: Tiempo/Reloj Atómico /

ABSTRACT: This article is about atomic clocks, how they work, why they are important, what we can do with them, how we use them in our daily life and how they are related with the electricity and magnetism phenomenon’s. The purpose of this article is to share reliable information about atomic clocks; Mostly of information was taken from the web. Any atomic clock was used in order to write this article.







  1. INTRODUCCIÓN

El siguiente artículo es una recopilación de información tomada de diferentes fuentes confiables a las que fueron anexadas las ideas y puntos de vista de los autores de este artículo.

El objetivo de este proyecto es analizar como los relojes atómicos están relacionados con los fenómenos físicos de la electricidad y el magnetismo, también aprender sobre el funcionamiento y aplicaciones de lo éstos, observar como éstos influyen en nuestro diario vivir y cómo se relacionan con la metrología.

Para el buen entendimiento de los relojes atómicos se necesita un breve, pero detallado, análisis sobre la magnitud que deseamos medir con éstos, que es, el tiempo.



  1. EL TIEMPO

Según la real academia española (RAE), el tiempo está definido como: “Magnitud física que permite ordenar la secuencia de los sucesos, estableciendo un pasado, un presente y un futuro. Su unidad en el Sistema Internacional es el segundo”.

Pero podemos ir más allá de lo que dice el diccionario, podemos ver en la historia que el tiempo se comenzó a medir a partir de los astros, la observación del cielo nocturno permitió a la humanidad percatarse de que existían ciclos en el cielo, que pasado ciertos acontecimientos el cielo volvía a tener las mimas estrellas en la misma posición anterior, estos ciclos de movimiento de la tierra fueron llamados años y el movimiento que tiene la tierra sobre su propio eje reflejado en el fenómeno del día y la noche fue llamado día. En todas las culturas se puede apreciar que el mismo patrón fue observado, de esta manera nacieron los diferentes tipos de calendarios, como el calendario maya o el calendario chino. En nuestro calendario actual se definió que un año esta dividido en doce meses y cada mes esta dividido en treinta o treinta un días, (a excepción de Febrero que tiene veintiocho o veintinueve días dependiendo del año) y a su vez cada día esta dividido en veinticuatro horas y cada hora está dividida en sesenta minutos que a su vez se dividen en sesenta segundos.

Hasta este momento parece ser que el tiempo esta dado por el movimiento terrestre, tanto por su movimiento alrededor del sol, como el movimiento sobre su propio eje, pero, entonces ¿qué sucede con el tiempo cuando la tierra no existía? ¿Entonces no existía el tiempo? La respuesta la podemos dar a partir de la definición del diccionario, teniendo en cuenta esto el primer acontecimiento sucedido en el universo podría ser el big-bang, a partir de ese momento nace el tiempo, a partir de ese momento comienzan los diferentes acontecimientos en los que se forma el universo, el preciso momento donde comienza el inicio del big-bang ese es el segundo cero y a partir de ese momento surge el tiempo.

Ahora pensemos, si el tiempo siempre ha estado ahí, ¿puede variar? ¿Puede en algún momento ir más rápido o más despacio? Los seres humanos dependemos del tiempo, pues a través de los años envejecemos hasta que finalmente morimos, pero se ha descubierto que si un ser humano llegase a salir del planeta en una nave a una altísima velocidad y pasado un año vuelve a la tierra, éste descubrirá que a pesar que sobre él ha pasado solo un año biológico en la tierra han pasado ya varios años, esto nos dice que en el universo en tiempo no es igual en todo momento, pero, a pesar de esto los seres humanos estamos regidos por éste. El tiempo varía dependiendo de la gravedad ejercida sobre el cuerpo en el que se desarrolla el evento, sabiendo esto, por ejemplo los relojes de los satélites puestos en orbitas tienen que estar perfectamente sincronizados con los receptores ubicados aquí en la tierra, de otra manera un nanosegundo en un satélite que controle un GPS que no este sincronizado podría generar un error hasta de kilómetros en el usuario del GPS.

El tiempo es un misterioso, pero podemos aplicar nuestros conocimientos sobre estos para nuestra vida diaria un ejemplo de esto es el reloj atómico.


  1. EL RELOJ ATÓMICO

Un reloj atómico es un tipo de reloj que utiliza una frecuencia de resonancia atómica normal para alimentar su contador. Las mejores referencias atómicas de frecuencia (o relojes) modernas se basan en físicas más avanzadas que involucran átomos fríos y las fuentes atómicas. Las agencias de las normas nacionales mantienen una exactitud de 10-9 segundos por día.

Los relojes atómicos mantienen una escala de tiempo continua y estable, el Tiempo Atómico Internacional (TAI). Para el uso cotidiano, se disemina otra escala de tiempo, el Tiempo Universal Coordinado (UTC). El UTC se deriva del TAI, pero se sincroniza usando segundos de intercalación con el Tiempo Universal (UT1), el cual se basa en el paso del día y la noche según las observaciones astronómicas.

Hoy los mejores patrones de frecuencia atómicos se basan en las propiedades físicas que tienen las fuentes de emisión de cesio. El primer reloj atómico de cesio fue construido en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física (NLP), en Inglaterra. Sus creadores fueron Louis Essen y John V.L Parry.

En el año 1967 los relojes atómicos basados en cesio habían conseguido fiabilidad suficiente como para que la Oficina Internacional de Pesas y Medidas eligiera la frecuencia de vibración atómica de los dispositivos creados y perfeccionados por Essen como nuevo patrón base para la definición de la unidad de tiempo físico. Según este patrón, un segundo se corresponde con 9.192.631.770 ciclos de la radiación asociada a la transición hiperfina desde el estado de reposo del isótopo de cesio-133. La precisión alcanzada con este tipo de reloj atómico es tan elevada que admite únicamente un error de un segundo en 30.000 años. El reloj más preciso del mundo se diseña en el Observatorio de París, donde los actuales relojes atómicos tardan 52 millones de años para desfasarse un segundo. El nuevo objetivo de la investigación francesa es aumentar ese plazo a 32 mil millones de años. El estándar actual de los relojes atómicos en activo permite el atraso de un segundo cada 3.700 millones de años (NIST EU).

    1. Surgimiento

La idea de utilizar la vibración atómica para medir el tiempo se sugirió por primera vez por Lord Kelvin en 1879. El método práctico para hacer esto se convirtió en la resonancia magnética, desarrollada en la década de 1930 por Isidor Isaac Rabi. El primer reloj atómico fue un dispositivo de máser de amoníaco construido en 1949 en la Oficina Nacional de Normas de EE.UU. (NBS, ahora NIST), era menos exacto que los relojes de cuarzo existentes, pero ha servido para demostrar el concepto.

El primer reloj atómico exacto, es un estándar de cesio sobre la base de una cierta transición del átomo de cesio-133, este fue construido por Louis Essen en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física (Reino Unido). La calibración del reloj de cesio atómica estándar se llevó a cabo mediante el uso de la escala astronómica: tiempo efemérides tiempo ET. Esto llevó a la definición acordada internacionalmente de los últimos segundos del SI que se basa el tiempo atómico, segunda igualdad de la segunda hora con el reloj (número atómico), el SI ha sido verificado con una precisión de 1 parte en 1010. El segundo SI hereda así el efecto de las decisiones de los diseñadores originales de la escala de tiempo de efemérides, la determinación de la longitud de la ET en segundos.


Mayo de 2009 -El reloj atómico óptico de estroncio JILA es ahora el reloj más exacto del mundo sobre la base de átomos neutros. Un luminoso láser azul en los átomos de estroncio ultrafríos en una trampa óptica que prueba sobre la eficacia de una explosión previa de luz de un láser de color rojo ha impulsado los átomos a un estado excitado. Sólo los átomos que permanecen en el estado de menor energía responden al láser azul, provocando la fluorescencia que se expresa aquí.

Desde el comienzo del desarrollo en la década de 1950, los relojes atómicos se han hecho sobre la base de la hiperfina (microondas) las transiciones en el hidrógeno-1, el cesio-133, y el rubidio-87. El primer reloj atómico comercial era el Atomichron, fabricado por la Compañía Nacional. Más de 50 fueron vendidos entre 1956 y 1960. Esta máquina voluminosa y cara posteriormente fue sustituida por dispositivos mucho más pequeños de montaje en rack, como el modelo de Hewlett-Packard 5060 estándar de frecuencia del cesio, lanzado en 1964

A finales de la década de 1990 cuatro factores han contribuido a importantes avances en los relojes:

Enfriamiento del láser y atrapado de átomos. Los llamados láser de alta finura de Fabry-Pérot; con cavidades para anchos de línea de láser estrecha Espectroscopia láser de precisión - Un conveniente recuento de frecuencias ópticas utilizando peines ópticos- En agosto de 2004, los científicos del NIST demostraron un reloj de chip en escala atómica. Según los investigadores, se creía que el reloj era la centésima parte del tamaño de cualquier otro reloj. También se alegó que requería sólo 75 mW, lo que es idóneo para aplicaciones basadas en energía a pilas. Este dispositivo a ser concebible como tal, podría convertirse en un producto de consumo.

En marzo de 2008, los físicos en el NIST demostraron un reloj basado en la lógica cuántica sobre el mercurio y los iones individuales de aluminio. Estos dos relojes son los más exactos que se han construido hasta la fecha, ni gana ni pierde el reloj, a una velocidad que exceda en más de un segundo de mil millones de años

    1. Desarrollos recientes

Los físicos continúan experimentando con nuevas variaciones, como los másers de hidrógeno (Townes), los de bombeo óptico de rubidio (Kasler) o los recientemente propuestos de mercurio, que permitirían alcanzar mayor precisión. También se mejora constantemente la precisión de los de cesio con lásers para enfriar los átomos; la del último reloj de NIST, el NIST-F1, puesto en marcha en 1999, es del orden de un segundo en veinte millones de años.

En agosto de 2004 del NIST hicieron la primera demostración de un reloj atómico del tamaño de un circuito integrado. Esto representa un reloj cien veces menor que cualquier otro construido hasta la fecha y con un consumo de sólo 0,079 vatios.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e0/chipscaleclock2_hr.jpg/250px-chipscaleclock2_hr.jpg

Ilustración Un reloj atómico implementado en un circuito integrado desarrollado por el NIST

    1. Funcionamiento y Aplicaciones

Mientras el reloj mecánico depende de un péndulo para funcionar, el atómico trabaja con la frecuencia de las transiciones energéticas hiperfinas (en rangos de las microondas) en los átomos.

En un extremo del reloj de cesio hay un horno con una placa de cesio del que se evaporan iones de este metal. Los iones se presentan en dos estados dependientes del spin del último electrón del cesio. La diferencia de energía entre estos dos estados corresponde a una frecuencia de 9.192.631.770 Hz. En cada estado, los iones tienen propiedades magnéticas diferentes. Tras la evaporación, se utiliza un imán para separar los iones y descartar aquellos con mayor energía. Los iones con menor energía van a parar a una cámara.

El verdadero reloj es un oscilador electrónico que genera pulsos de una frecuencia que puede ajustarse. Esta frecuencia se ajusta a la de la transición hiperfina del cesio por el siguiente proceso de realimentación. Un radioemisor de microondas llena la cavidad de la cámara de forma uniforme con ondas radioeléctricas con la frecuencia del oscilador electrónico. Cuando la frecuencia de la onda radiada se acopla con la frecuencia de la transición hiperfina del cesio, los iones de cesio absorben la radiación y emiten luz. Una célula fotoeléctrica es sensible a la luz emitida y está conectada al oscilador electrónico mediante instrumentación electrónica.

Para realizar la medición a través de estas partículas es necesario crear un campo electromagnético que no existe de forma natural en el Universo. El proceso se realiza dentro de una "trampa magneto-óptica", una esfera del tamaño de un melón en la cual se inyectan átomos de cesio y se propagan, encerrados en un campo magnético, seis rayos de luz láser. De la misma forma que una persona disminuye su paso ante una ráfaga de viento, los átomos reducen su velocidad al ser bombardeados por los láseres emitidos en todas direcciones. Con este método los átomos pueden reducir su velocidad hasta hacerla 10 mil veces más lenta de lo normal. Cuando los átomos y los láseres chocan, se forma una nube de átomos muy lentos o ultrafríos.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1a/cesium_clock.jpg/300px-cesium_clock.jpg

Ilustración Reloj atómico de cesio

Los usos más frecuentes de los relojes atómicos son:

  • Redes de telefonía.

  • Sistemas de Posicionamiento Global (GPS).

  • Medición del tiempo.

  • Calibración de equipos.

    1. Investigación

La mayoría de las investigaciones se centran en los objetivos, a menudo contradictorios, de hacer los relojes más pequeños, más baratos, más precisos y más fiables.

Las nuevas tecnologías, tales como peines de frecuencia de femtosegundo, redes ópticas y la información cuántica, han permitido los prototipos de la próxima generación de relojes atómicos. Estos relojes se basan en la óptica en lugar de las transiciones de microondas. Un obstáculo importante para el desarrollo de un reloj óptico es la dificultad de medir directamente las frecuencias ópticas. Este problema se ha resuelto con el desarrollo de la auto-referencia en modo bloqueado láseres, comúnmente conocida como peines de frecuencia de femtosegundo. Antes de la demostración del peine de frecuencias en el año 2000, las técnicas de terahercio eran necesarias para salvar la distancia entre frecuencias de radio y ópticas, y los sistemas para hacerlo eran engorrosos y complicados. Con el perfeccionamiento del peine de frecuencias de estas mediciones se han vuelto mucho más accesible y numerosos sistemas ópticos reloj se están desarrollando en todo el mundo.

Al igual que en el rango de la radio, la espectroscopia de absorción se utiliza para estabilizar un oscilador (en este caso un láser). Cuando la frecuencia óptica se divide hacia abajo en una frecuencia de radio contable usando un peine de femtosegundos, el ancho de banda del ruido de fase se divide también por ese factor. Aunque el ancho de banda de ruido de fase del láser es generalmente mayor que las fuentes de microondas estable, después de la división es menor.

Los dos sistemas primarios en estudio para su uso en los patrones de frecuencia óptica son iones aislado en una trampa de iones y átomos neutros atrapados en una red óptica. [Estas dos técnicas permiten que los átomos o iones para ser altamente aislada de perturbaciones externas, lo que produce una frecuencia extremadamente estable de referencia.

  • Relojes ópticos: ya han logrado una mayor estabilidad y menor incertidumbre sistemática de lo que los relojes de las mejores de microondas. Esto les coloca en una posición para reemplazar la norma actual por el tiempo, el reloj fuente de cesio.

  • Sistemas atómicos: se están considerando e incluyen Al3+, Hg+/2+,Hg, Sr, Sr ++ IN3,Ca 3+, Ca,Yb,Yb + / 2 + / 3 + e Y.




  1. CONCLUSIONES

La ciencia de la metrología en su búsqueda de perfeccionar la precisión de los instrumentos y las medidas, ahora nos brinda un aparato de excelentísima precisión para medir un patrón fundamental (Tiempo) con increíble exactitud.

Los relojes atómicos son herramientas que nos permiten mantener una exactitud de 10-9, suficiente para cualquier investigación y/o proceso que se desee mejorar

  1. REFERENCIAS

http://buscon.rae.es/draeI/SrvltConsulta?TIPO_BUS=3&LEMA=tiempo

http://www.youtube.com/watch?v=MvGXCO_Figc

D.B. Sullivan (2001). «Time and frequency measurement at NIST: The first 100 years ». 2001 IEEE International Frequency Control Symposium. NIST. p. 4-17.

M.A. Lombardi, T.P. Heavner, S.R. Jefferts (2007). «NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second ». Journal of Measurement Science 2 (4):  pp. 74.

L. Essen, J.V.L. Parry (1955). «An Atomic Standard of Frequency and Time Interval: A Caesium Resonator». Nature 176:  pp. 280
Jesús David Tonguino Carrera, cód: 245118

Juan Sebastián Hernández Ramirez, cód: 245045

Diego Gonzalo Pulido Rojas, cód: 244680

Nicolas Aristizabal Hernández, cód: 244881

Andres Augusto Ovalle Montoya, cód: 244668

Sebastián David Vega Cristancho, cód: 245074





Principios de Electricidad y Magnetismo

similar:

[1] Juan Sebastián Hernández R iconJuan carlos millan hernandez

[1] Juan Sebastián Hernández R iconNuevo rol del docente del siglo XXI autor: Ysmael Hernández L. y Marcos Hernández L

[1] Juan Sebastián Hernández R iconJorge reyes fabregas – juan pablo lopez alba – carlos mejia san juan – carlos andres bohorquez

[1] Juan Sebastián Hernández R iconJuan leal apoderado por Mauricio Berho y jm raymond Tlf: 691 21 33 91 maurice- juan leal

[1] Juan Sebastián Hernández R iconLa Institución Educativa juan XXIII de Purísima consta de una única...

[1] Juan Sebastián Hernández R iconCarátula: "Bártoli Guillermo, García Belsunce Horacio Carlos, Hurtig...

[1] Juan Sebastián Hernández R iconSebastian cadena howell

[1] Juan Sebastián Hernández R iconSebastián Guisao Arango

[1] Juan Sebastián Hernández R iconSebastián Muñoz 02/03/10 1 Bach A

[1] Juan Sebastián Hernández R iconInstitución educativa sebastian de belalcazar


Medicina



Todos los derechos reservados. Copyright © 2015
contactos
med.se-todo.com