METROLOGÍA. PATRÓN DEL TIEMPO, SU EVOLUCIÓN Y EL

METROLOGÍA. PATRÓN DEL TIEMPO, SU
EVOLUCIÓN Y EL RELOJ ATÓMICO DE CESIO
Heiner Bello, Felipe Patiño, Lina Santana, Lina Soler
Universidad Nacional de Colombia
Fundamentos de electricidad y magnetismo
Jaime Villalobos
Resumen- Este artículo informativo,
describe el patrón del tiempo o referencias que
se han tomado para medir el segundo durante
la historia y sus diferentes instrumentos de
medición. Finalmente se describe el reloj
atómico de cesio, actual patrón para la
estandarización del segundo.
Palabras clave: Reloj atómico, cesio, patrón,
tiempo, segundo.
1. INTRODUCCIÓN
El patrón del tiempo, es el segundo expresado por
el símbolo s. Este patrón se mide mediante el
tiempo atómico del reloj del isótopo de cesio 133.
La definición del segundo es la siguiente: Un
segundo es el tiempo que demoran 9.192.631.770
oscilaciones de la radiación del cesio-133 a
temperatura del cero absoluto. Pero esto no ha
sido siempre así y el tiempo se ha medido de
diferentes maneras durante la historia, el más
preciso que se utiliza es el ya mencionado de
cesio, pero se están construyendo otros como el
de aluminio que será aún mejor, ya que no se
atrasará ni se adelantará un segundo en menos de
mil millones de años.
2. EL SEGUNDO EN LA HISTORIA
De lo más antiguo que se conoce para la medición
del tiempo, son las clepsidras. Estas son relojes
de agua que funcionaban mediantes un orificio
que permitía la salida del agua en un tiempo
determinado. Estos se podían utilizar para medir
el tiempo en las estaciones del año, tiempo de
oradores en tribunales, etc.…
Aproximadamente en el siglo XI Su Song, un
famoso chino erudito que se especializó como
ingeniero, poeta, anticuario, y el embajador de la
dinastía Song, construyó un complejo mecanismo
a base de agua para indicar periodos de tiempo
con sonidos.
Luego se conocen los relojes de arena. Estos se
basan en el mismo funcionamiento que las
clepsidras, pero con el flujo de arena. El flujo de
la arena por un orificio o una determinada área
permitía contabilizar el tiempo de diferentes
maneras, dependiendo de la cantidad de arena o
del tamaño del orificio. Estos se usaban por
ejemplo para los ejércitos romanos durante la
noche, contabilizar jornadas de trabajo en barcos
durante navegaciones, entre otros.
El fuego también fue un recurso utilizado para
medir el tiempo. Esto funcionaba mediante velas
marcadas, a medida que se derretían y pasaban las
correspondientes marcas, se podía tener en cuenta
el tiempo pasado.
Los cuadrantes solares también conocidos como
relojes de sombra marcaban el momento del día,
según la posición y la longitud de una sombra
generada por el sol en una superficie, que para
contabilizar el tiempo, estaba numerada. Existían
gran variedad de cuadrantes con muchas formas:
cuadrantes planos, cúbicos, globos, escalones
numerados o cuadrantes portátiles. Se considera
que uno de los cuadrantes más grandes
encontrados es stonehenge que data hacia 1900
A. C. en el Reino Unido; la posición de las
piedras que lo conforman y la disposición del
horizonte señalan diferentes etapas del año.
Ante la imposición de la religión católica
mundialmente, el tiempo se midió conforme a
esta. Un año estaba dividido en 4 etapas. De
pascua a pentecostés, de pentecostés a
septiembre, de septiembre a la cuaresma y de la
cuaresma a la pascua. También dividían el día en
siete horas. Para anunciar el momento del día, se
hacían sonar las campanas de los monasterios
cada seis horas, tiempo eclesiástico.
Los relojes mecánicos comenzaron a aparecer en
el siglo XIII, en acero fabricados por herreros,
estos sufrían un desajuste de 15 a 30 minutos
diarios, por los cambios físicos del material del
que estaban hechos. En el siglo XV se inventaron
los relojes de una sola manecilla que marcaba la
hora, y en el siglo XVII los relojes de péndulo
que funcionaban con la gravedad, los primeros
con los que se podían contabilizar los segundos.
Hacia el siglo XIX se inventó el reloj eléctrico en
el cual el péndulo no funcionaba con la gravedad
sino por un electroimán y una batería.
Finalmente llegaron los relojes de pulsera.
Comenzaron con el reloj de cuarzo en el siglo
XX. Este funcionaba por fenómenos cuánticos,
las vibraciones generaban una corriente de
frecuencia que accionaba el mecanismo.
3. RELOJ ATÓMICO
4. MECANISMO DEL RELOJ
ATÓMICO DEL CESIO
Figura 1: Imagen tomada de http://whyfiles.org/078time/
En 1952 el NIST logra por primera la medición
precisa de la frecuencia del cesio para el reloj
atómico
El reloj de cesio fue construido (figura 1) por
primera vez en 1955 por Louis Essen y J. Parry.
Aunque este sigue siendo el patrón del tiempo, se
están desarrollando unos relojes más precisos
como el de aluminio que solo se desajusta en un
segundo cada 3,7 mil millones de años, este es un
tipo de reloj conocido como reloj de lógica
cuántica, originalmente tenía átomos de aluminio
y de berilio.
Los relojes atómicos son los más precisos hasta
ahora, el más generalizado es el del isótopo de
cesio 133, que sufre un error de un segundo cada
30.000 años. El primero fue desarrollado con
amoniaco pero no era significativamente mejor
que el de cuarzo.
Un segundo según estos relojes corresponden a
9.192.631.770 ciclos de la radiación del cesio. Se
optó por este digito ya que es la duración más
cercana al segundo en el tiempo de efemérides
(tiempo astrológico igualado al tiempo universal
cerca de 1902).
Figura 2: Imagen tomada de NIST . National Institute of
Standards and Technology. http://www.nist.gov
/pml/div688/grp50/primary-frequency-standards.cfm
Funcionamiento:
El reloj de cesio funciona con base a la radiación
que generan las estructuras hiperfinas del átomo.
Las estructuras hiperfinas son las perturbaciones
que se generan por el cambio en los niveles de
energía de los electrones. Estos cambios de
energía se dan por la interacción entre el espín del
electrón (un campo magnético) y el momento
magnético del núcleo. Cuando se dan estas
perturbaciones, los átomos de cesio absorben la
energía e irradian luz, los que son detectados por
una celda fotosintética, y así es que se
sincronizan.
Para que se generen las estructuras hiperfinas, los
átomos son previamente ralentizados y enfriados
por un bombardeo con láser (así se crea un campo
magnético que permite el siguiente proceso), y se
pasan por una propagación de microondas
generadas por un oscilador electrónico y un
radioemisor, que al estar en la misma frecuencia
con el átomo cambia su nivel de energía.
Los átomos de cesio emiten ondas de luz que se
repiten 9.192.631.770 veces cada segundo, en un
segundo estas ondas tienen una frecuencia de
9.192.631.770 Hz. Así que 9.192.631.770 veces
esta radiación es lo que se conoce como un
segundo.
5. BIBLIOGRAFÍA
[1]
Colaboradores de Wikipedia, ((Historia de la
relojer__a)), ((Reloj at_omico)), Wikipedia, la enciclopedia
libre,(2012). Disponible en: http://es.wikipedia.org/
[2]
Juan Fern_andez Macarr_on, Los Conceptos
Espacio y Tiempo, AstroF_acil ,(2012). Disponible en:
http://www.astrofacil.com/Articulos/articulos.html.
[3]
Instituto Latinoamericano de la Comunicación
Educativa (ILCE), Midiendo el Tiempo, Red Escolar
ILCE,(2000). Disponible en: http://redescolar.ilce.edu.mx
/redescolar/act_permanentes/historia/histdeltiempo/pasado/ti
empo/p_midien.htm.