16.3 Structure hyperfine des niveaux atomiques
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D’autres motifs technologiques ont également orienté le choix vers l’atome de césium pour la réalisation d’un étalon de temps : d’une part, la fréquence de transition
est située dans un domaine de fréquences facilement mesurables par l’appareillage
électronique actuel ; d’autre part, l’obtention d’un jet atomique de césium est aisément réalisable ainsi que la détection par ionisation de ces atomes.
La transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de
césium 133 correspond à la transition entre l’état F = 4, m F = 0 et l’état F = 3,
m F = 0. La fréquence correspondante pour cette transition est :
n 0 = 9,192 631 770 GHz
(16.3.28)
➤ Principe de fonctionnement
La figure 16.2 représente schématiquement le principe de fonctionnement de l’horloge atomique. Du césium métallique est chauffé dans un four à 100˚C environ (température de sublimation : 301,9 K sous 1, 2 × 10
−6 mm Hg). Il se forme un jet de
césium gazeux qui contient des atomes situés dans des niveaux énergétiques correspondant à F = 4 ou à F = 3. Ces états sont notés par la suite F(4) et F(3).
Selon que ces atomes se trouvent dans l’un ou l’autre des deux états, leur moment
magnétique est différent et, par suite, leur comportement dans un champ magnétique
extérieur ne sera pas le même. Le jet atomique passe alors dans un champ magnétique
B 1 intense et inhomogène qui permet de séparer en deux groupes les atomes, un
groupe correspondant à l’état F(4), l’autre à l’état F(3).
Four
F(3)+F(4)
F(3)
F(4)
F(4)
F(3)
F(3)
F(4)
Cavité micro-ondes
Détecteur
Oscillateur
Diviseur de fréquences
utilisation
blindage
F(4)
F(3)
B 1
B 3
B 2
Figure 16.2
Les atomes dans l’état F(4) sont dirigés vers une cavité micro-ondes où ils entrent
dans la zone d’action d’un champ électromagnétique externe dont la fréquence est
bien définie, soit n 0 = 9, 192 631 770 GHz. Une partie de ces atomes va subir une
transition F(4) → F(3).
Après leur sortie de la cavité, un second champ magnétique B 2 va sélectionner à
nouveau les atomes qui se trouvent dans l’état F(3), c’est-à-dire ceux qui ont subi
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D’autres motifs technologiques ont également orienté le choix vers l’atome de césium pour la réalisation d’un étalon de temps : d’une part, la fréquence de transition
est située dans un domaine de fréquences facilement mesurables par l’appareillage
électronique actuel ; d’autre part, l’obtention d’un jet atomique de césium est aisément réalisable ainsi que la détection par ionisation de ces atomes.
La transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de
césium 133 correspond à la transition entre l’état F = 4, m F = 0 et l’état F = 3,
m F = 0. La fréquence correspondante pour cette transition est :
n 0 = 9,192 631 770 GHz
(16.3.28)
➤ Principe de fonctionnement
La figure 16.2 représente schématiquement le principe de fonctionnement de l’horloge atomique. Du césium métallique est chauffé dans un four à 100˚C environ (température de sublimation : 301,9 K sous 1, 2 × 10
−6 mm Hg). Il se forme un jet de
césium gazeux qui contient des atomes situés dans des niveaux énergétiques correspondant à F = 4 ou à F = 3. Ces états sont notés par la suite F(4) et F(3).
Selon que ces atomes se trouvent dans l’un ou l’autre des deux états, leur moment
magnétique est différent et, par suite, leur comportement dans un champ magnétique
extérieur ne sera pas le même. Le jet atomique passe alors dans un champ magnétique
B 1 intense et inhomogène qui permet de séparer en deux groupes les atomes, un
groupe correspondant à l’état F(4), l’autre à l’état F(3).
Four
F(3)+F(4)
F(3)
F(4)
F(4)
F(3)
F(3)
F(4)
Cavité micro-ondes
Détecteur
Oscillateur
Diviseur de fréquences
utilisation
blindage
F(4)
F(3)
B 1
B 3
B 2
Figure 16.2
Les atomes dans l’état F(4) sont dirigés vers une cavité micro-ondes où ils entrent
dans la zone d’action d’un champ électromagnétique externe dont la fréquence est
bien définie, soit n 0 = 9, 192 631 770 GHz. Une partie de ces atomes va subir une
transition F(4) → F(3).
Après leur sortie de la cavité, un second champ magnétique B 2 va sélectionner à
nouveau les atomes qui se trouvent dans l’état F(3), c’est-à-dire ceux qui ont subi