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Les horloges atomiques de la période 1970 / 2000.

Les horloges atomiques de la période 1970/90.


          Une maman me racontait que, lors d’un coure au collège, il avait été dit que l’étalon de l’unité de temps (la seconde) était la fréquence de vibration de l’atome de césium, mais rien n’avait été dit sur les horloges correspondantes et le jeune garçon avait demandé des explications à sa mère, qui avait trouvé l’article de Wikipédia, très difficile à suivre et encore plus à expliquer..

         C’est vrai que Wikipédia fait appel à des spécialistes qui veulent donner beaucoup d’explications et certaines, de haut niveau, ne sont pas toujours évidentes. Mais Wikipédia a un immense avantage, c’est que justement les spécialistes lisent les articles, qu’il y a une auto-censure, et que Wikipédia préfère, en cas de doute, ne rien dire plutôt que dire une inexactitude. Il n’y a donc jamais de données fausses dans Wikipédia et c’est donc une référence.
       J’ai évidemment répondu en donnant des explications, mais j’ai pensé que celles-ci intéresseraient peut être mes lectrices et lecteurs, explications simples sur le fonctionnement des horloges atomiques, qui définissent la seconde, unité de temps.
      Dans cet article, je parlerai des premières générations d'horloges atomiques, qui sont plus simples et je parlerai demain des générations suivantes actuelles.

         Un préalable concernant les atomes, leur cortège électronique et les photons incidents.
Les horloges atomiques de la période 1970/90.
         Dans l’article que j’ai fait sur le tableau de Mendéleïef, (20 novembre 2024), j’ai expliqué que les électrons autour du noyau, se répartissaient sur des couches successives  (1 à 7), qui comportaient des sous-couches appelées orbitales, en nombre fixé pour chaque couche (1, 3, 3, 5, 5, 7, 7). chaque orbitale pouvant accueillir uniquement 2 électrons (de spins opposés).

          Chaque orbitale correspond à un certain niveau d’énergie potentielle, qui permet à ses deux électrons de se maintenir dans leur orbitale. Ces niveaux d’énergie sont discontinus et parfaitement déterminés selon les lois de la mécanique quantique. (voir schéma ci contre);
           Dans l’atome en état normal neutre, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons, et ils vont se placer aux niveaux d’énergie potentielle les plus bas possibles qui ne sont pas déjà occupés, c’est à dire que les niveaux sont remplis par le bas, jusqu’à ce qu’on ait casé tous les électrons de l’atome considéré.

           Supposons maintenant qu’un photon d’une certaine énergie soit absorbé par un électron. Cela n’est possible que si cette énergie est égale à la différence entre le niveau actuel de l’électron (qu’on appellera « fondamental ») et le niveau d’une orbitale supérieure qui n’est pas occupée par deux électrons (et donc ne pourrait en recevoir d’autre). L’électron « sautera » alors de son niveau fondamental à celui de cette orbitale libre.
          Il peut également y avoir, pour une orbitale donnée qui ne contient qu’un seul électron, des niveaux d’énergie différents entre lesquels l’électron unique pourra naviguer, sans pour autant quitter l’orbitale. On les appelle des niveaux d’énergie        « hyperfins »..
          Mais ces états ne sont pas stables et l’électron va revenir à son état fondamental initial en restituant un photon de même énergie que celui qu’il a reçu, ou plusieurs photons s’il revient à son état initial par des sauts successifs. (Voir les deux schémas ci-dessous).

    absorption de photon                                         rémission de photons

    Les horloges atomiques de la période 1970/90.Les horloges atomiques de la période 1970/90.

 

 

 

 



           Dernière notion préliminaire : en mécanique quantique, on associe une onde à la particule, qui permet, alors qu’on ne peut savoir l’emplacement exact d’un électron, de connaître des zones de probabilité de sa présence (ou de la répartition dans l’espace d’un grand nombre d’électrons, comme dans les expériences de franges d’interférences).
         Si la longueur d’onde est  λ et le fréquence de l’onde ν = 1 / λ, , l’énergie d’un photon associé à l’onde est E = h ν , où h est appelé la constante de Plank.

        Donc, pour faire passer un électron de son état fondamental E1 à un état excité E2, il est équivalent de lui envoyer des photons d’énergie E2 - E1 = h ν  ou de le bombarder avec des ondes de fréquence ν .

          Le Cesium 133 possède 55 protons dans son noyau, et 78 neutrons. Ses 55 électrons saturent toutes les orbitales jusqu’à la couche 5 et possède 1 électron dans la première sous-couche S de la couche 6. Dans cette orbitale, l’unique électron peut occuper des niveaux d’énergie hyperfins différents, les différences d’énergie correspondant à une fréquence ν  bien définie : E2 - E1 = h ν  ou ν = 9 192 631 770 Hz.
         On pourra faire passer les électrons de E1 à E2 en soumettant les atomes à une onde de fréquence ν . Pour le cesium cette fréquence est de 9 192 631 770 Hz, ce qui correspond à une longueur d'onde d'environ 3cm : c'est une micro-onde.

       
   On mesurait le temps avec des oscilalteurs à quartz, mais qui s'ils étaient au départ précis, se déformaient mécaniquement et leur fréquence et leur mesure du temps dérivait dans le temps
         L’idée , pour réaliser une horloge ultra-précise est de disposer d’un générateur d’ultrafréquences à quartz, voisin de 9 milliards de Herz et d’asservir sa fréquence sur celle des électrons de l’atome de césium qui sont passés de l’état E1 à l’état E2.
         On compte alors les impulsions et chaque fois qu’on en a compté 9 192 631 770 , on comptabilise une seconde.

         La réalisation des horloges des années 70/80 était la suivante, (voir schéma ci dessous) :

Les horloges atomiques de la période 1970/90. 

 

 

         

 

 

 

 

 

   
         
 Le fonctionnement de l'horloge est le suivant :
                   - un oscillateur à quartz génère un signal électrique de fréquence 10 MHz (10 mégahertz, soit dix millions d'oscillations par seconde) et un étage multiplicateur de fréquence) multiplie la fréquence de base du signal pour obtenir un signal dont la fréquence soit proche de 9.192.631.770 Hz (fréquence de résonance de l'atome de césium correspondant à l'énergie E1);

                       - ce signal très haute fréquence est envoyé dans un guide d'onde dont la géométrie est telle qu'il entretient une résonance à cette fréquence particulière;
                       - on envoie un jet d'atomes de césium 133, chauffés dans un four, qui se trouvent à plus de 700 d°Cavec 50% 'atomes dans l'état F1 et 50% dans l'état F2.
             Les atomes de ces deux états énergétique ont des propriétés magnétiques différentes et se comportent comme de petits aimants différents..             
                           - on sépare  grâce à un système de déflexion magnétique les atomes qui ne sont pas dans l'état E1 pour que seuls les atomes dans cet état d'énergie pénètrent dans la cavité du guide d'onde.
                       -  si la fréquence injectée dans la cavité est proche de la valeur 9.192.631.770 Hz, un grand nombre d'atomes passe de l'état E1 à l'état E2;
                        - un second système de déflexion magnétique sépare la direction des atomes dans l'état E2 de celle des atomes restés dans l'état E1. On ne recueille don à la sortie que des atomes de césium excités dans l'état E2;
                        - un détecteur, placé sur le trajet des atomes dans l'état E2, compte le nombre d'atomes reçus. Plus la fréquence injectée dans la cavité se rapproche de  9.192.631.770 Hz, plus le nombre d'atome dans l'état E2 est grand.
                        - un système électronique de rétroaction et d'asservissement agit sur la fréquence de l'oscillateur pour que le nombre d'atomes comptés soit maximal.
                         - peu à peu l'oscillateur génère donc un e fréquence qui est de   9.192.631.770 Hz,
                         - un compteur compte alors les impulsions de l'oscillateur à quartz et chaque fois qu’on en a compté 9 192 631 770 , on comptabilise une seconde.


            C'est donc un oscillateur à quartz qui est à la base d'une horloge atomique à jet de césium, les atomes de césium n'étant là que pour contrôler et ajuster la fréquence du signal généré par le quartz 

           Au bout de quelques heures d'ajustement le quart a atteint sa fréquence qui est alors extrêmement stable. Sa stabilité est de l'ordre de 10-14, c'est à dire qu'il ne varie pas de plus d'une seconde au bout de 1014 secondes soit 3,17 millions d'années.
           La précision qui permet la comparaison entre deux horloge est de l'ordre de 10 -14,. Elle dépend principalement du temps passé par les atomes de césium dans la cavité, permettant d'augmenter le nombre d'atomes excités. Plus ils sont nombreux plus la détection du maximum sera précise.

           Environ 500 horloges sont réparties dans 72 laboratoires et le Bureau international des poids et mesures de Paris compare ces données et calcule une valeur moyenne de la seconde que l'on appelle le "temps atomique international" TAI.

           Des horloges atomiques ont été miniaturisées et sont maintenant embarquées dans des satellites et notamment dans ceux du Global Positioning System, GPS.

            Le GPS est un système militaire américain de radio-navigation constitué d'un ensemble de satellites en orbite à 20 000 km autour de la Terre.
            Les signaux transmis par les satellites peuvent être librement reçus et exploités par tout utilisateur, qu'il soit sur terre, sur mer ou dans les airs, et qui peut ainsi connaître sa position à toute heure et en tout lieu sur la surface ou au voisinage de la surface de la Terre avec une précision d'une dizaine de mètres, dès lors qu'il est équipé d'un récepteur GRS et du logiciel nécessaire au traitement des informations reçues, ce récepteur captant les signaux de plusieurs satellites qui opèrent par triangulation. (La précision militaire du GPS pour l'armée américaine est de l'ordre de 10 cm).

          Demain, pour ceux qui voudraient davantage de renseignements et auront le courage de lire, je donnerai quelques indications sur les horloges récentes, plus précises et sur quelques applications..

 

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