relogio atomico como funciona

Relógio Atômico: como funciona?

Um erro de um segundo em mil anos é proeza da freqüência atômica. Em muitas áreas da tecnologia moderna, como a exploração do espaço, o acompanhamento de satélites, a navegação e a pesquisa científica, medir o tempo com alta precisão é muito importante. Desde meados da década de 50 isto tem sido feito por meio de instrumentos denominados relógios atômicos.

Atualmente os sistemas de medida precisa de tempo baseiam-se no relógio de quartzo, que depende da freqüência de vibração de um cristal de quartzo para manter-se preciso. Após certo tempo, porém, essa freqüência se altera e torna-se necessário reajustá-la. Para isso, deve-se compará-la a uma freqüência padrão de o primeiro relógio atômico tinha a câmara rodeada por duas bobinas (a gaiola) para evitar interferência do campo magnético terrestre no fluxo do feixe atômico.

Esquema técnico do relógio atômico.
O esquema da câmara de feixes atômicos mostra o forno de césio, os ímãs defletores, os ressonadores de cavidade e o detetor. A câmara, evacuada por meio de três bombas de alto vácui à difusão de óleo, é feita de cobre, material adequado a trabalhos a vácuo.

Se os ressonadores são sintonizados na frequência do césio, ocorre o número máximo de transições de energia e também é maxima a corrente que alcança o detetor. Se a frquência ressoante muda, o rendimento do detetor cai e ajuda-a automaticamente.

Pulso de radiação eletromagnética fornecido por fonte externa. E a variação de energia é proporcional à freqüência da radiação.

Os níveis atômicos de energia são mais constantes que qualquer outro fenômeno natural conhecido: não variam com a temperatura, pressão ou gravidade. Por isso, são ideais para servir como padrões de frequências. Certos elementos, como o césio, o rubídio e o hidrogênio, são particularmente úteis nessa tarefa. Eles possuem apenas um elétron em sua órbita exterior para emitir e absorver energia. Além disso, suas respectivas frequências são relativamente pouco complicadas e mais fáceis de ser usadas que as dos átomos com mais elétrons nessa órbita.

O átomo de césio pode estar em um de dois estados de energia, dependendo da direção em que gira seu elétron mais externo: na mesma direção em que gira seu núcleo, ou na direção oposta. Estes estados diferentes influem na trajetória de um átomo livre de césio que atravessa um campo eletromagnético. Além disso, se atravessa um campo eletromagnético de freqüência equivalente à diferença entre seus dois estados de energia, ele é induzido a mudar de um estado para o outro.

Se um feixe de átomos de césio passa através de tal campo, o número máximo de transições de estado ocorre quando a freqüência do campo está precisamente sintonizada com a “freqüência natural” do césio. Assim, o relógio atômico de césio mede indiretamente o número de transições ocorridas e trata de manter máximo esse número por meio de realimentação do controlador de freqüência do campo. A frequência do campo é, então, “mantida” na freqüência do césio. Esta freqüência altíssima é dividida eletronicamente até um valor que pode ser usado para comparar a exatidão da vibração de um relógio de quartzo.

Na prática, isto se faz aquecendo o césio (cujo ponto de fusão é muito baixo) em pequeno forno elétrico montado no interior de um tubo reto, do qual o ar foi removido por bombas de alto vácuo. O metal flui de uma fenda na parte frontal do forno e corre pelo tubo. No caminho, atravessa um campo magnético que deflete seus átomos: os que apresentam um estado, para um lado; os que apresentam outro estado, para o lado oposto. Ao mesmo tempo o campo focaliza a trajetória dos átomos num feixe convergente, como faz com a luz uma lente convexa. Esse feixe converge em um ressonador de cavidade, uma espécie de antena oca, através da qual passa um campo eletromagnético. Este campo é mantido a uma freqüência de 9192 MHz (milhões de ciclos por segundo), multiplicando eletronicamente o sinal de 5 MHz produzido por um relógio de quartzo.

Relógio atômico antigo.
O primeiro relógio atômico tinha a câmara rodeada por duas bobinas (a gaiola) para evitar interferência do campo magnético terrestre no fluxo do feixe atômico.

Se o relógio de quartzo oscila exatamente na freqüência correta, o campo muda a direção de rotação de quase todos os átomos de césio que o atravessam, mas não afeta a cuidadosa focalização de seu feixe.

Focalizado numa estreita fenda no centro do ressonador (que impede a passagem de qualquer átomo fora do curso), o feixe abre-se do outro lado da fenda. A focalização, porém, provoca uma troca de lados: os átomos que estavam do lado esquerdo do feixe antes da fenda, logo após atravessá-la encontram-se do lado direito. A seguir, o feixe passa por um segundo ressonador de cavidade, alimentado pelo mesmo campo eletromagnético de 9192 MHz, que novamente inverte a rotação da maioria dos átomos que o travessam. Assim, as duas trocas de rotação se cancelam. Agora, os átomos em determinado estado encontram-se no lado do feixe oposto ao que se encontravam depois de atravessar o primeiro ressonador. E, como resultado, o feixe emerge do segundo ressonador de cavidade com, substancialmente, a mesma estrutura com que entrara no primeiro.

Em seguida, o feixe atravessa um segundo campo magnético que o focaliza para atingir um aparelho detetor. Os poucos átomos que não mudaram de estado encontram-se do lado “errado” do feixe focalizado e são desviados. Mas os átomos que atingem o detetor fazem-no emitir um sinal que, por sua vez, é introduzido no relógio de quartzo.

Relógio Atômico: um segundo a cada mil anos

Se a freqüência do relógio de quartzo apresenta ligeira mudança, a freqüência do ressonador no tubo deixa de ser 9192 MHz, e a direção de rotação dos átomos não sofre mudança. Quando isso ocorre, todos os átomos que emergem do ressonador encontram-se no lado “errado” do feixe a ser focalizado no detetor e, por isso, nenhum deles o atinge. A ausência de sinal faz o relógio de quartzo mudar sua freqüência, até que o sinal seja novamente recebido. Desse modo, o relógio de quartzo consegue alcançar uma margem de erro de apenas um segundo em mil anos.

Há outras espécies de relógios atômicos, embora os mais comuns continuem sendo os de césio, cujos modelos portáteis pesam aproximadamente 30 quilos. Relógios atômicos comerciais já estão disponíveis no mercado e costumam ser empregados em institutos de pesquisas, estações radioemissoras, organizações científicas e empresas industriais.

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