Fermati, parliamo (di) un secondo
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Tra le pagine scritte da Lewis Carroll, la piccola Alice, incontra il Bianconiglio con cui scambia qualche parola:
Alice: Quanto tempo dura “per sempre”?
Bianconiglio: Beh Alice, A volte anche solo un secondo
La conversazione riflette l’assurdità del mondo in cui si trova Alice, dove spazio e tempo perdono di significato. Ma nel nostro mondo, quello in cui non basta mangiare una caramella per diventare più alti, potremmo contraddire il Bianconiglio? Sappiamo “Quanto tempo dura un secondo?”
Il comitato internazionale delle unità di misura nel 1967 ha fatto chiarezza, definendo un secondo come:
“secondo: intervallo di tempo che contiene 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio 133”
Una visione meno accattivante di quella di Lewis ma altrettanto affascinante: il tempo è scandito da eventi periodici periodici.
- Un giorno = rotazione della terra attorno al suo asse
- Un anno = rotazione della terra attorno al sole
- Un secondo = 9 192 631 770 oscillazioni della radiazione per far transitare un atomo di cesio da uno stato all’altro
Una volta definita l’unità di misura del tempo, dobbiamo procedere con la creazione di un dispositivo di misurazione capace di rilevare e registrare con precisione le 9.192.631.770 oscillazioni necessarie per scandire un secondo.
LA DEFINIZIONE DI SECONDO CON IL CESIO
Il Cesio stabile ha 55 protoni , 78 neutroni e 55 elettroni che orbitano intorno al nucleo. Gli elettroni riempiono tutti gli stati elettronici fino al livello 5p, mentre l’ultimo livello (6s) è riempito da un solo elettrone. E’ quest’unico elettrone a determinare la chimica di tutto l’atomo. Basta studiare la configurazione di quest’elettrone e le sue proprietà chimiche sono ben determinate.
In prima approssimazione i livelli energetici i.e. le energie che l’atomo può assumere, sono definiti dall’interazione elettrostatica fra gli elettroni e il nucleo. Ma se vogliamo essere più precisi nel calcolo, dobbiamo tener conto di altri tipi di interazione tra i due elementi, che possono alzare o abbassare l’energia del sistema. Ad esempio, il nucleo si comporta come un magnete, generando un campo che interferisce con l’elettrone che gli orbita attorno. Volendo calcolare l’energia del sistema molto minuziosamente, dobbiamo considerare anche quest’interazione. Le possibilità sono due: l’elettrone del cesio interagisce con il campo magnetico del nucleo in modo da far alzare/abbassare l’energia del sistema.
Perciò ci sono due livelli energetici nel diagramma energetico Fig.1, corrispondenti a due configurazioni distinte F = 3 o F = 4. Dato che la differenza di energia tra questi due livelli è molto piccola, i due livelli vengono definiti “iperfini”.
Quando un atomo passa da un livello energetico maggiore ad uno minore l’energia in “eccesso” viene sputata fuori dal sistema sotto forma di onda elettromagnetica di frequenza ΔE/h e di un periodo di T=1/ν. Al contrario se deve passare da un livello minore ad uno maggiore ha bisogno di un’onda elettromagnetica di frequenza ΔE/h per permettere la transizione. Ne deriva che, quando un atomo di Cesio transita dallo stato F=4 allo stato F=3, emette un’onda.
Il secondo, quindi, è il tempo impiegato da quest’onda emessa per compiere 9 192 631 770 oscillazioni. Per costruire un orologio atomico ci serve uno strumento che sia in grado di fare questo conteggio, e per farlo abbiamo bisogno necessariamente di altri elementi e mano a mano costruiremo ciò che ci serve. Partiamo dal primo: un materiale piezoelettrico.
QUARZO E MATERIALI PIEZOELETTRICI
Alcuni cristalli hanno questa strana particolarità: se spremuti, schiacciati o contratti producono corrente elettrica. Infatti un’azione meccanica cambia la struttura della cella elementare del quarzo rendendolo un materiale che conduce corrente elettrica. Gli utilizzi di questo materiale sono i più disparati, soprattuto dato che una volta collegati alla correte elettrica questi si deformano contraendosi ed alleggerendosi diventando materiali conduttori e trasportando la corrente elettrica necessaria per il funzionamento.
In particolare il quarzo, sottoposto ad energia elettrica, vibra ad una frequenza di: 32,768 Hz.
In breve, la piezoelettricità è il processo di utilizzo dei cristalli per convertire l’energia meccanica in energia elettrica o viceversa.
Il quarzo, quando attraversato da corrente elettrica, vibra a una frequenza di 32,768 Hz, ma questa vibrazione è suscettibile a instabilità. Variazioni di temperatura e pressione influiscono significativamente sulla frequenza di oscillazione del materiale, rendendolo inaffidabile come “orologio”. Il che lo rende uno strumento fortemente instabile, e, perciò, impossibile da sfruttare da solo come strumento di misura del tempo. Tuttavia, rimane un eccellente oscillatore che può essere sfruttato con creatività per poter costruire un orologio atomico.
OROLOGIO ATOMICO
Le vibrazioni del quarzo possono essere sfruttate per alimentare un radiotrasmettitore: un dispositivo elettronico progettato per trasmettere segnali elettromagnetici. A seconda della corrente elettrica che raggiunge il radiotrasmettitore, viene generata un’onda di una specifica frequenza.
In un orologio atomico, lo strumento è configurato in modo tale che, se il quarzo oscilla alla frequenza di 32,768 Hz, il radiotrasmettitore emette un’onda di 9.192.631.770 Hz. Se la frequenza è inferiore, l’onda prodotta sarà anch’essa a frequenza minore di 9.192.631.770 Hz, mentre se la frequenza è superiore, l’onda sarà a frequenza maggiore di 9.192.631.770 Hz.
Quindi, se il quarzo oscilla alla frequenza desiderata, verrà generata un’onda in grado di eccitare il cesio e portare l’atomo allo stato F=4. Un fascio di atomi di cesio viene esposto a quest’onda e, se la frequenza è corretta, tutti gli atomi entrano in uno stato eccitato. In caso contrario, solo alcuni atomi subiscono questa transizione. Contando il numero di atomi di cesio che si trovano nello stato F = 4, rispetto al numero totale nel fascio, è possibile determinare se la frequenza di partenza è corretta o no. Per farlo gli atomi di cesio passano attraverso un campo magnetico che selezioni solo quelli con energia nella configurazione desiderata. All’uscita dal campo magnetico, un rilevatore conta questi atomi. Se il numero di atomi è insufficiente, il rilevatore regola la corrente elettrica sul quarzo per aumentare o diminuire la frequenza, cercando di far sì che il quarzo oscilli alla frequenza desiderata. (Fig. 2)
A questo punto, lo strumento è pronto per essere utilizzato. Basta monitorare le oscillazioni dell’onda del radiotrasmettitore e consentire alla lancetta dei secondi di avanzare con un ticchettio una volta raggiunte le oscillazioni desiderate. Può essere inserito in un dispositivo di dimensioni ridotte da indossare al polso o essere integrato su un satellite. ll sistema GPS , le reti internet e i settori finanziari attingono tutti a questo genere di orologi per sfruttarne la precisione nel marcare il tempo, garantendo una coordinazione precisa e affidabile.
Laureata in fisica a Roma mi sono specializzata in fisica delle particelle ad alte energie, collaborando con gli esperimenti di LHC. Mi diletto in arti figurative e grafiche e mi diverto sfruttando questa passione per sintetizzare concetti che si astraggono dietro delle formule. Nel mio percorso ho capito che nulla è difficile una volta compreso. Le giuste parole sbloccano un percorso nella mente di chi ascolta e solo percorrendo quel percorso un concetto resterà impigliato addosso. Da qui il potere delle parole.
