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セシウム標準は、セシウム133原子の2つの超微細基底状態間の遷移による光子吸収を利用して出力周波数を制御する一次周波数標準です。最初のセシウム時計は、1955年に英国国立物理研究所のルイ・エッセンによって構築され[ 1 ] 、米国海軍天文台のゲルノット・M・R・ウィンクラーによって世界的に普及されました。
セシウム原子時計は、最も正確な時間と周波数の標準の一つであり、現代のメートル法である国際単位系（SI）における秒の定義の主要標準として機能しています。定義によれば、セシウム133の2つの超微細基底状態間の遷移によって生成される放射線（地球の磁場などの外部影響がない場合）の周波数ΔνCsは、正確に9 192 631 770 Hz 。この値は、1960年に採用された時点での測定能力の限界において、地球の太陽周回軌道に基づく既存の標準暦秒と等しくなるように選択されました。[ 2 ]時間に関する他の測定はこれほど正確ではなかったため、変更の影響は既存のすべての測定の実験的不確実性よりも小さくなりました。
セシウム標準に基づいて明示的に定義されている基本単位はセシウム133のみですが、SI単位の大部分はセシウム133、またはセシウム133を用いて定義された他の単位のいずれかに言及した定義を持っています。したがって、モルを除くすべての基本単位と、クーロン、グレイ、シーベルト、ラジアン、ステラジアンを除くすべての派生単位の値は、セシウム133の超微細遷移放射線の特性によって少なくとも部分的に暗黙的に定義されています。そして、これらのうち、モル、クーロン、無次元ラジアン、無次元ステラジアンを除くすべては、電磁放射線の一般的な特性によって暗黙的に定義されています。
秒の公式定義は、 1967年の第13回国際度量衡総会でBIPMによって初めて次のように示されました。「秒とは、セシウム133原子の基底状態の2つの超微細準位間の遷移に対応する放射の9,192,631,770周期。「1997年の会議で、BIPMは以前の定義に次の仕様を追加しました。「この定義は、0 Kの温度で静止しているセシウム原子に関するものです 。 」 [ 3 ]
BIPMは、第26回会議（2018年）でこの定義を改めて述べ、「2番目は、セシウム133原子の摂動を受けていない基底状態の超微細遷移周波数であるセシウム周波数∆νCsの固定数値を、単位Hzで表すと9 192 631 770となり、これはs −1に等しい」と定義される。[ 4 ]
前述の定義の意味は次のとおりです。セシウム原子は、基底状態の電子状態が[Xe] 6s 1の配置を持ち、したがって原子項記号は2S 1/2です。これは、不対電子が1つあり、原子の全電子スピンが1/2であることを意味します。さらに、セシウム133の原子核は、7/2に等しい核スピンを持っています。電子スピンと核スピンが同時に存在すると、超微細相互作用と呼ばれるメカニズムにより、すべてのエネルギー準位が2つの副準位に（わずかに）分裂します。副準位の1つは、電子スピンと核スピンが平行（つまり、同じ方向を向いている）であることに対応し、全スピンFはF = 7/2 + 1/2 = 4になります。もう1つの副準位は、電子スピンと核スピンが反平行（つまり、反対方向を向いている）であることに対応し、全スピンはF = 7/2 − 1/2 = 3になります。セシウム原子では、エネルギーが最も低い副準位はF = 3の副準位であり、F = 4の副準位はそれよりもわずかに高いエネルギー準位にある。原子に、2つの副準位間のエネルギー差に相当するエネルギーを持つ電磁放射線を照射すると、放射線は吸収され、原子は励起されてF = 3の副準位からF = 4の副準位に遷移する。しばらくすると、原子は放射線を再放出し、F = 3の基底状態に戻る。第2の定義から、問題の放射線の周波数は正確に9.192 631 77 GHzは、波長約3.26 cmに相当し、マイクロ波 帯域に属する。
よくある誤解として、角周波数からの変換（）周波数（）、またはその逆。角周波数は科学文献では慣例的に s −1と表記されますが、ここでは暗黙のうちにラジアン毎秒を意味します。対照的に、単位 Hz はサイクル毎秒と解釈する必要があります。変換式は次のとおりです。これは、1 Hz が毎秒約 6.28 ラジアンの角周波数（または慣例により簡潔にするためにラジアンを省略した場合は6.28 s −1 ）に相当することを意味します。
セシウム標準が以下のパラメータを持つと仮定します。
セシウム標準を用いて最初に定義された単位群は時間に関するものであり、2番目に定義された単位群は1967年に「セシウム133原子の基底状態の2つの超微細準位間の遷移に対応する放射線の9,192,631,770周期の継続時間」と定義され、これは次のことを意味する。
これにより、力とエネルギーに関連する派生単位の定義（下記参照）と、当時ニュートンを参照していたアンペアの定義もセシウム標準に結び付けられました。1967年以前は、SIの時間と周波数の単位は熱帯年を使用して定義され、1960年以前は平均太陽日の長さによって定義されていました[ 5 ]。
1983年、メートルはセシウム標準に基づいて間接的に定義され、「メートルとは、真空中で光が1/299 792 458秒間に進む距離である」という正式な定義がなされた。これは以下のことを意味していた。
1960年から1983年の間、メートルはクリプトン86原子に関連する異なる遷移周波数の波長によって定義されていました。これはセシウム標準よりもはるかに高い周波数と短い波長を持ち、可視スペクトル内に収まります。1889年から1960年の間に使用された最初の定義は、国際原器メートルによるものでした。[ 6 ]
2019年のSI単位系の改訂に伴い、電磁放射は一般的に、以下の正確なパラメータを持つものとして明示的に定義された。
セシウム133の超微細遷移放射線は、以下の周波数を持つと明示的に定義されました。
cとΔνCsの上記の値は、メートルと秒の定義にすでに暗黙のうちに含まれていることは明らかです。これらを合わせると、次のことが言えます。
特筆すべきは、波長が約3.26センチメートルという比較的人間に近い値であり、光子エネルギーが1ケルビンあたりの自由度当たりの平均分子運動エネルギーに驚くほど近いことである。これらのことから、次のことが導かれる。
改訂以前の1889年から2019年の間、質量、力、エネルギーに関連するメートル法（および後のSI）単位のファミリーは、パリの国際度量衡局本部に保管されている特定の物体である国際キログラム原器（IPK）の質量によって定義されていたことは、ある意味悪名高いことであった。つまり、その物体の質量が変わると、キログラムの大きさや、当時キログラムの値に依存していた他の多くの単位の大きさも変わることになった。[ 8 ]
1954年から2019年まで、SI温度スケールは水の三重点と絶対零度を用いて定義されていた。[ 9 ] 2019年の改訂では、これらをボルツマン定数kの割り当て値に置き換えた。1.380 649 × 10 −23 J ⁄ K であり、これは次のことを意味する。
モルは、非常に多くの「基本単位」（原子、分子、イオンなど）を表す単位です。1969年から2019年までは、この数はIPKと炭素12原子の質量比の0.012倍でした。[ 10 ] 2019年の改訂では、アボガドロ定数に正確な値を割り当てることで、この定義が簡略化されました。1モルあたり6.022 140 76 × 10 23個の基本粒子が含まれているため、基本単位の中で唯一、モルはセシウム標準から独立性を保っている。
改訂前は、アンペアは、1メートル離れた2本の平行な導線の間に0.2μN/メートルの力を生じさせるのに必要な電流として定義されていました。2019年の改訂では、この定義を置き換え、電子の電荷eに正確な値を与えました。1.602 176 634 × 10 −19クーロン。やや矛盾しているが、クーロンは依然として組立単位、アンペアは基本単位とみなされており、その逆ではない。[ 11 ]いずれにせよ、この慣習は、SI 電磁単位、素電荷、およびセシウム 133 超微細遷移放射の間に、次の正確な関係を伴っていた。
1967年から1979年まで、SI光学単位であるルーメン、ルクス、カンデラは、白金の融点における白熱光を用いて定義されていました。1979年以降、カンデラは、周波数540 THz（すなわちセシウム標準の6000 / 1.02140353 ）の単色可視光源の光度と、ステラジアンあたり1 / 683ワットの放射強度として定義されました。これにより、カンデラの定義はセシウム標準、そして2019年まではIPKに結び付けられました。質量、エネルギー、温度、物質量、電磁気学に関連する単位とは異なり、光学単位は2019年に大幅に再定義されませんでしたが、その値はワット、ひいてはキログラムの値に依存するため、間接的に影響を受けました。[ 12 ]光学単位を定義するために使用される周波数は、以下のパラメータを持つ。
これは次のことを意味します。
セシウム133の超微細構造遷移放射線のパラメータをSI単位で正確に表すと以下のようになる。
SIの7つの基本単位をSI定義定数を用いて明示的に表すと、次のようになる。
最終的に、7つの基本単位のうち6つ（無次元モルを除くすべて）は、ΔνCsの値に依存する値を持ち、 ΔνCsは他の定義定数よりもはるかに頻繁に現れます。しかし、1クーロンの派生単位であるアンペア秒は、純粋に素電荷によって定義される次元のある単位であり、したがってΔνCsとは無関係です。
この記事は、連邦規格1037C（一般調達局）からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 2022年1月22日にオリジナルからアーカイブされました。 （ MIL-STD-188に準拠）
