सीज़ियम मानक

एक सीज़ियम परमाणु फव्वारा एक परमाणु घड़ी के हिस्से के रूप में प्रयोग किया जाता है

सीज़ियम-133 मानक एक प्राथमिक आवृत्ति मानक है जिसमें सीज़ियम -133 परमाणुओं के दो हाइपरफाइन स्तर के जमीनी राज्यों के बीच संक्रमण द्वारा अवशोषण (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) का उपयोग आउटपुट आवृत्ति को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। पहली सीज़ियम घड़ी लुई एस्सेन द्वारा 1955 में यूके में राष्ट्रीय भौतिक प्रयोगशाला, यूके में बनाई गई थी। और संयुक्त राज्य नौसेना वेधशाला के गर्नोट एमआर विंकलर द्वारा दुनिया भर में प्रचारित किया गया।

सीज़ियम परमाणु घड़ियाँ सबसे सटीक समय और आवृत्ति मानकों में से एक हैं, और इकाइयों की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (SI) (मीट्रिक प्रणाली का आधुनिक रूप) में दूसरे की परिभाषा के लिए प्राथमिक मानक के रूप में काम करती हैं। परिभाषा के अनुसार, सीज़ियम (पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र जैसे बाहरी प्रभावों की अनुपस्थिति में) के दो हाइपरफाइन ग्राउंड स्टेट्स के बीच संक्रमण से उत्पन्न विकिरण की आवृत्ति होती है, Δν_Cs, बिल्कुल 9192631770 Hz. उस मान को इसलिए चुना गया था ताकि 1960 में मानव मापन क्षमता की सीमा तक सीज़ियम सेकंड की बराबरी की जा सके, जब इसे अपनाया गया था, सूर्य के चारों ओर पृथ्वी की कक्षा के आधार पर मौजूदा मानक पंचांग दूसरा । क्योंकि समय को शामिल करने वाला कोई अन्य माप इतना सटीक नहीं था, परिवर्तन का प्रभाव सभी मौजूदा मापों की प्रायोगिक अनिश्चितता से कम था।

जबकि दूसरा एकमात्र एसआई आधार इकाई है जिसे सीज़ियम मानक के संदर्भ में स्पष्ट रूप से परिभाषित किया गया है, अधिकांश एसआई इकाइयों की परिभाषाएँ हैं जो या तो दूसरे का उल्लेख करती हैं, या दूसरे का उपयोग करके परिभाषित अन्य इकाइयाँ। नतीजतन, तिल को छोड़कर हर आधार इकाई और कूलम्ब, ओम, सीमेंस, वेबर, ग्रे, सीवर्ट, रेडियन और स्टेरेडियन को छोड़कर हर एसआई व्युत्पन्न इकाई के मान होते हैं जो सीज़ियम -133 हाइपरफाइन ट्रांज़िशन रेडिएशन के गुणों द्वारा स्पष्ट रूप से परिभाषित होते हैं। और इनमें से, तिल, कूलम्ब, और आयामहीन मात्रा रेडियन और स्टेरेडियन को छोड़कर सभी को विद्युत चुम्बकीय विकिरण के सामान्य गुणों द्वारा स्पष्ट रूप से परिभाषित किया गया है।

तकनीकी विवरण

दूसरे की आधिकारिक परिभाषा पहली बार 1967 में वजन और माप पर 13वें आम सम्मेलन में अंतर्राष्ट्रीय वजन और माप ब्यूरो द्वारा दी गई थी: दूसरी की अवधि है 9192631770 सीज़ियम 133 परमाणु की जमीनी अवस्था के दो हाइपरफाइन स्तरों के बीच संक्रमण के अनुरूप विकिरण की अवधि। 1997 की अपनी बैठक में BIPM ने पिछली परिभाषा में निम्नलिखित विनिर्देश जोड़े: यह परिभाषा 0 K के तापमान पर एक सीज़ियम परमाणु को संदर्भित करती है। BIPM ने अपने 26वें सम्मेलन (2018) में इस परिभाषा को दोहराया, दूसरी को सीज़ियम फ़्रीक्वेंसी ∆Cs के निश्चित संख्यात्मक मान, सीज़ियम 133 परमाणु की अविचलित ग्राउंड-स्टेट हाइपरफ़ाइन ट्रांज़िशन फ़्रीक्वेंसी, 9 192 631 770 होने के द्वारा परिभाषित किया गया है जब इकाई Hz में व्यक्त किया जाता है, जो s के बराबर होता है^{-1</उप>। पूर्ववर्ती परिभाषा का अर्थ इस प्रकार है। सीज़ियम परमाणु में इलेक्ट्रॉन विन्यास [Xe] 6s के साथ एक जमीनी अवस्था इलेक्ट्रॉन अवस्था होती है1 और, परिणामस्वरूप, पद चिह्न 2एस_1/2. इसका मतलब यह है कि एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन है और परमाणु का कुल इलेक्ट्रॉन स्पिन 1/2 है। इसके अलावा, सीज़ियम -133 के नाभिक में 7/2 के बराबर एक परमाणु स्पिन है। इलेक्ट्रॉन स्पिन और परमाणु स्पिन की एक साथ उपस्थिति, हाइपरफाइन संरचना नामक एक तंत्र द्वारा, सभी ऊर्जा स्तरों को दो उप-स्तरों में विभाजित करने के लिए (छोटे) विभाजन की ओर ले जाती है। उप-स्तरों में से एक इलेक्ट्रॉन और परमाणु स्पिन के समानांतर होने से मेल खाता है (यानी, एक ही दिशा में इशारा करते हुए), कुल स्पिन एफ के बराबर होता है F = 7/2 + 1/2 = 4; अन्य उप-स्तर एंटीपैरल समानांतर इलेक्ट्रॉन और परमाणु स्पिन (यानी, विपरीत दिशाओं में इशारा करते हुए) से मेल खाता है, जिससे कुल स्पिन होता है F = 7/2 − 1/2 = 3. सीज़ियम परमाणु में ऐसा होता है कि ऊर्जा में सबसे कम उप-स्तर वाला होता है F = 3, जब F = 4 उप-स्तर ऊर्जावान रूप से थोड़ा ऊपर होता है। जब परमाणु दो उप-स्तरों के बीच ऊर्जावान अंतर के अनुरूप ऊर्जा वाले विद्युत चुम्बकीय विकिरण से विकिरणित होता है, तो विकिरण अवशोषित हो जाता है और परमाणु उत्तेजित हो जाता है, F = 3 उप-स्तर से F = 4 एक। एक सेकंड के एक छोटे से अंश के बाद परमाणु विकिरण को फिर से उत्सर्जित करेगा और अपने में वापस आ जाएगा F = 3 जमीनी राज्य। दूसरे की परिभाषा से यह इस प्रकार है कि प्रश्न में विकिरण की आवृत्ति ठीक है 9.19263177 GHz, लगभग 3.26 सेंटीमीटर के विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के अनुरूप है और इसलिए माइक्रोवेव रेंज से संबंधित है।}

इस विशेष सीज़ियम अनुनाद पर ला कन्वेंशन डु मेत्रे के तहत सहमति हुई थी और वर्तमान समय तक विश्व समुदाय के लिए दूसरे की आधिकारिक परिभाषा के रूप में बनी हुई है।

ध्यान दें कि एक सामान्य भ्रम में कोणीय आवृत्ति से रूपांतरण शामिल है ($\omega$) आवृत्ति के लिए ($f$), या विपरीत। कोणीय आवृत्तियों को पारंपरिक रूप से s के रूप में दिया जाता है^-1 वैज्ञानिक साहित्य में, लेकिन यहाँ इकाइयों का अर्थ प्रति सेकंड रेडियन है। इसके विपरीत, इकाई Hz की व्याख्या प्रति सेकंड चक्र के रूप में की जानी चाहिए। रूपान्तरण सूत्र है $\omega =2\pi f$, जिसका तात्पर्य है कि 1 हर्ट्ज लगभग 6.28 रेडियन प्रति सेकंड (या 6.28 सेकेंड) की कोणीय आवृत्ति के अनुरूप है।^-1 जहां परंपरा के अनुसार संक्षिप्तता के लिए रेडियन छोड़े गए हैं)।

दूसरी और अन्य SI इकाइयों में पैरामीटर और महत्व

मान लीजिए कि सीज़ियम मानक में पैरामीटर हैं:

• प्रकाश की गति: सी

• प्लैंक स्थिरांक|ऊर्जा/आवृत्ति: एच

• समय सीमा: Δt_Cs

• आवृत्ति: Δν_Cs

• तरंग दैर्ध्य: Δλ_Cs

• फोटॉन ऊर्जा: ΔE_Cs

• द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता: ΔM_Cs

समय और आवृत्ति

सीज़ियम मानक का उपयोग करते हुए परिभाषित इकाइयों का पहला सेट समय से संबंधित था, दूसरे को 1967 में 9 192 631 770 विकिरण की अवधि के रूप में परिभाषित किया गया था, जो कि जमीनी अवस्था के दो हाइपरफाइन स्तरों के बीच संक्रमण के अनुरूप था। सीज़ियम 133 परमाणु का अर्थ है कि:

• 1 सेकंड, एस, = 9,192,631,770 Δt_Cs

• 1 हेटर्स , हर्ट्ज, = 1/एस = Δν_Cs/9,192,631,770

• 1 Becquerel, बीक्यू, = 1 परमाणु क्षय/एस = 1/9,192,631,770 परमाणु क्षय/Δt_Cs

इसने बल और ऊर्जा (नीचे देखें) और एम्पीयर से संबंधित व्युत्पन्न इकाइयों की परिभाषाओं को भी जोड़ा, जिसकी परिभाषा उस समय न्यूटन के संदर्भ में, सीज़ियम मानक के लिए थी। 1967 से पहले समय और आवृत्ति की एसआई इकाइयों को उष्णकटिबंधीय वर्ष और 1960 से पहले सौर समय की लंबाई का उपयोग करके परिभाषित किया गया था।

लंबाई

1983 में, मीटर को अप्रत्यक्ष रूप से सीज़ियम मानक के संदर्भ में औपचारिक परिभाषा के साथ परिभाषित किया गया था। यह निहित है:

• 1 मीटर, मी, = c s/299,792,458 = 9,192,631,770/299,792,458 सी Δt_Cs = 9,192,631,770/299,792,458 Δλ_Cs

• 1 कांति , रेडियन, = 1 मी/मी = Δλ_Cs/Δλ_Cs = 1 (कोण की विमाहीन इकाई)

• 1 steradian , sr, = 1 मी²/मि² = Δλ_Cs²/Δλ_Cs² = 1 (ठोस कोण की विमाहीन इकाई)

1960 और 1983 के बीच, मीटर को क्रिप्टन के समस्थानिकों से जुड़ी एक अलग संक्रमण आवृत्ति की तरंग दैर्ध्य द्वारा परिभाषित किया गया था। दृश्य स्पेक्ट्रम के अंदर गिरते हुए सीज़ियम मानक की तुलना में इसकी उच्च आवृत्ति और कम तरंग दैर्ध्य थी। 1889 और 1960 के बीच इस्तेमाल की गई पहली परिभाषा, अंतरराष्ट्रीय प्रोटोटाइप मीटर द्वारा की गई थी।

द्रव्यमान, ऊर्जा और बल

SI आधार इकाइयों की 2019 की पुनर्परिभाषा के बाद, सामान्य रूप से विद्युत चुम्बकीय विकिरण को सटीक मापदंडों के लिए स्पष्ट रूप से परिभाषित किया गया था:

• सी = 299,792,458 मी/से

• एच = {{val|6.62607015|e=-34}जे एस

सीज़ियम-133 हाइपरफाइन संक्रमण विकिरण को आवृत्ति के लिए स्पष्ट रूप से परिभाषित किया गया था:

• Δν_Cs = 9,192,631,770 हर्ट्ज

हालांकि सी और के लिए उपरोक्त मान Δν_Cs पहले से ही स्पष्ट रूप से मीटर और सेकंड की परिभाषाओं में निहित थे। साथ में उनका तात्पर्य है:

• Δt_Cs = 1/Δν_Cs = s/9,192,631,770

• Δλ_Cs = सी Δt_Cs = 299,792,458/9,192,631,770 एम

• ΔE_Cs = एच Δν_Cs = 9,192,631,770 हर्ट्ज × 6.62607015×10⁻³⁴ जे एस = 6.09110229711386655×10⁻²⁴ जे

• ΔM_Cs = ΔE_Cs/c² = 6.09110229711386655×10⁻²⁴ J/89,875,517,873,681,764 m²/s² = 6.09110229711386655/8.9875517873681764×10⁴⁰ किलोग्राम

विशेष रूप से, तरंग दैर्ध्य का लगभग 3.26 सेंटीमीटर का एक मानव-आकार का मूल्य है और फोटॉन ऊर्जा आश्चर्यजनक रूप से औसत आणविक गतिज ऊर्जा प्रति डिग्री स्वतंत्रता (भौतिकी और रसायन विज्ञान) प्रति केल्विन के करीब है। इनसे यह पता चलता है कि:

• 1 किलोग्राम, किग्रा, = 8.9875517873681764×10⁴⁰/6.09110229711386655 ΔM_Cs

• 1 जूल, जे, = 10²⁴/6.09110229711386655 ΔE_Cs

• 1 वाट, डब्ल्यू, = 1 जे/एस = 10¹⁴/5.59932604907689089550702935 ΔE_Cs Δν_Cs

• 1 न्यूटन (इकाई) , N, = 1 J/m = 2.99792458×10²²/5.59932604907689089550702935 ΔE_Cs/Δλ_Cs

• 1 पास्कल (यूनिट), Pa, = 1 N/m² = 2.6944002417373989539335912×10¹⁹/4.73168129737820913189287698892486811451620615 ΔE_Cs/Δλ_Cs^3</उप>

• 1 ग्रे (इकाई) , Gy, = 1 J/kg = 1/89,875,517,873,681,764 ΔE_Cs/ΔM_Cs = c²/89,875,517,873,681,764

• 1 सीवर्ट, Sv, = आयनीकरण विकिरण की मात्रा गामा किरणों के 1 ग्रे के बराबर खुराक

संशोधन से पहले, 1889 और 2019 के बीच, द्रव्यमान, बल और ऊर्जा से संबंधित मीट्रिक (और बाद में SI) इकाइयों के परिवार को कुछ हद तक कुख्यात रूप से किलोग्राम (IPK) के अंतर्राष्ट्रीय प्रोटोटाइप के द्रव्यमान द्वारा परिभाषित किया गया था, जो एक विशिष्ट वस्तु संग्रहीत है। पेरिस में वजन और माप के अंतर्राष्ट्रीय ब्यूरो के मुख्यालय में, जिसका अर्थ है कि उस वस्तु के द्रव्यमान में कोई भी परिवर्तन किलोग्राम के आकार और कई अन्य इकाइयों के आकार में परिवर्तन के परिणामस्वरूप होता है, जिसका मूल्य उस समय पर निर्भर करता था। किलोग्राम का।

तापमान

1954 से 2019 तक, SI तापमान पैमानों को पानी के त्रिगुण बिंदु और पूर्ण शून्य का उपयोग करके परिभाषित किया गया था। 2019 के संशोधन ने इन्हें बोल्ट्जमैन स्थिरांक, k, के नियत मान से बदल दिया 1.380649×10⁻²³ जम्मू/कश्मीर, जिसका अर्थ है:

• 1 केल्विन, के, = 1.380649×10⁻²³ J/2 प्रति स्वतंत्रता की डिग्री = 1.380649×10⁻²³ × 10²⁴/2/6.09110229711386655 ΔE_Cs स्वतंत्रता की प्रति डिग्री = 1.380649/1.21822045942277331 ΔE_Cs स्वतंत्रता की प्रति डिग्री

• डिग्री सेल्सीयस में तापमान, डिग्री सेल्सियस, = केल्विन में तापमान - 273.15 = 1.21822045942277331 × kinetic energy per degree of freedom - 377.12427435 ΔE_Cs/1.380649 ΔE_Cs

पदार्थ की मात्रा

तिल प्राथमिक संस्थाओं (यानी परमाणु, अणु, आयन, आदि) का अवोगाद्रो स्थिरांक है। 1969 से 2019 तक, यह संख्या IPK और कार्बन के समस्थानिकों के बीच द्रव्यमान अनुपात 0.012 × थी। 2019 के संशोधन ने अवोगाद्रो स्थिरांक को सटीक मान निर्दिष्ट करके इसे सरल बना दिया 6.02214076×10²³ मूल इकाइयां प्रति तिल, इस प्रकार, आधार इकाइयों के बीच विशिष्ट रूप से, तिल ने सीज़ियम मानक से अपनी स्वतंत्रता बनाए रखी:

• 1 मोल (इकाई), मोल, = 6.02214076×10²³ प्राथमिक संस्थाएं

• 1 वध, बिल्ली, = 1 तिल/s = 6.02214076×10¹⁴/9.19263177 प्राथमिक निकाय/Δt_Cs

विद्युत चुम्बकीय इकाइयाँ

संशोधन से पहले, एम्पीयर को 0.2 न्यूटन (यूनिट) | μN प्रति मीटर के अलावा 2 समानांतर तारों के बीच एम्पीयर के बल कानून के लिए आवश्यक धारा के रूप में परिभाषित किया गया था। 2019 के संशोधन ने प्राथमिक प्रभार, ई, सटीक मान देकर इस परिभाषा को बदल दिया 1.602176634×10⁻¹⁹ कुलम्ब। कुछ हद तक असंगत रूप से, कूलम्ब को अभी भी एक व्युत्पन्न इकाई माना जाता है और एम्पीयर एक आधार इकाई है, बजाय इसके विपरीत। किसी भी मामले में, इस सम्मेलन में SI विद्युत चुम्बकीय इकाइयों, प्राथमिक आवेश और सीज़ियम-133 हाइपरफाइन संक्रमण विकिरण के बीच निम्नलिखित सटीक संबंधों को शामिल किया गया है:

• 1 कूलॉम, सी, = 10¹⁹/1.602176634 इ

• 1 एम्पेयर , या amp, A, = 1 C/s = 10⁹/1.472821982686006218 यह है Δν_Cs

• 1 वाल्ट , वी, = 1 जे/सी = 1.602176634×10⁵/6.09110229711386655 ΔE_Cs/है

• 1 फैराड, F, = 1 C/V = 6.09110229711386655×10¹⁴/2.566969966535569956 यह है²/ΔE_Cs

• 1 ओम (यूनिट), Ω, = 1 वी/ए = 2.359720966701071721258310212×10⁻⁴/6.09110229711386655 ΔE_Cs/Δν_Cs यह है² = 2.359720966701071721258310212×10⁻⁴/6.09110229711386655 वह^2</उप>

• 1 सीमेंस (यूनिट), S, = 1/Ω = 6.09110229711386655×10⁴/2.359720966701071721258310212 यह है²/घं

• 1 वेबर (इकाई) , Wb, = 1 V s = 1.602176634×10¹⁵/6.62607015 ΔE_Cs Δt_Cs/ई = 1.602176634×10¹⁵/6.62607015 वह

• 1 टेस्ला (यूनिट), T, = 1 Wb/m² = 1.43996454705862285832702376×10¹²/5.59932604907689089550702935 ΔE_Cs Δt_Cs/यह है Δλ_Cs² = 1.43996454705862285832702376×10¹²/5.59932604907689089550702935 और/और सी Δλ_Cs

• 1 हेनरी (यूनिट), एच, = Ω एस = 2.359720966701071721258310212×10⁶/6.62607015 एच Δt_Cs/यह है^2</उप>

ऑप्टिकल इकाइयां

1967 से 1979 तक SI ऑप्टिकल इकाइयों, लुमेन, लक्स और कैंडेला को इसके गलनांक पर प्लैटिनम की गरमागरम चमक का उपयोग करके परिभाषित किया गया है। 1979 के बाद, कैंडेला को 540 Thz आवृत्ति के मोनोक्रोमैटिक विकिरण प्रकाश स्रोत की चमकदार तीव्रता के रूप में परिभाषित किया गया था (अर्थात 6000/1.02140353 सीज़ियम मानक की) और दीप्तिमान तीव्रता 1/683 वाट प्रति स्टेरेडियन। इसने कैंडेला की परिभाषा को सीज़ियम मानक और 2019 तक आईपीके से जोड़ा। द्रव्यमान, ऊर्जा, तापमान, पदार्थ की मात्रा और विद्युत चुंबकत्व से संबंधित इकाइयों के विपरीत, ऑप्टिकल इकाइयों को 2019 में व्यापक रूप से पुनर्परिभाषित नहीं किया गया था, हालांकि वे अप्रत्यक्ष रूप से प्रभावित थे क्योंकि उनके मूल्य वाट और इसलिए किलोग्राम पर निर्भर करते थे। ऑप्टिकल इकाइयों को परिभाषित करने के लिए उपयोग की जाने वाली आवृत्ति में पैरामीटर होते हैं:

• आवृत्ति: 540 THz

• समय सीमा: 50/27 गुजरने

• तरंग दैर्ध्य: 14.9896229/27 माइक्रोमीटर | माइक्रोमीटर

• फोटॉन ऊर्जा: 5.4×10¹⁴ हर्ट्ज × 6.62607015×10⁻³⁴ जे एस = 3.578077881×10⁻¹⁹ जे

• चमकदार प्रभावकारिता, के_CD, = 683 एलएम/डब्ल्यू

• चमकदार ऊर्जा प्रति फोटॉन, $Q_{\mathrm {v} }$, = 3.578077881×10⁻¹⁹ जे एक्स 683 एलएम / डब्ल्यू = 2.443827192723×10⁻¹⁶ एलएम एस

यह संकेत करता है:

• 1 लुमेन (इकाई) , एलएम, = 10⁶/2.246520349221536260971 $Q_{\mathrm {v} }$ Δν_Cs

• 1 कैन्डेला , सीडी, = 1 एलएम/एसआर = 10⁶/2.246520349221536260971 $Q_{\mathrm {v} }$ Δν_Cs/सं

• 1 लूक्रस , एलएक्स, = 1 एलएम/एम² = 8.9875517873681764×10²/1.898410313566852566340456048807087002459 $Q_{\mathrm {v} }$ Δν_Cs/Δλ_Cs^2</उप>

सारांश

एसआई इकाइयों में सटीक रूप से व्यक्त किए गए सीज़ियम 133 हाइपरफ़ाइन संक्रमण विकिरण के पैरामीटर हैं:

• आवृत्ति = 9,192,631,770 हर्ट्ज

• समय काल = s/9,192,631,770

• तरंग दैर्ध्य = 299,792,458/9,192,631,770 एम

• फोटॉन ऊर्जा = 6.09110229711386655×10⁻²⁴ जे

• फोटॉन द्रव्यमान समतुल्य = 6.09110229711386655×10⁻⁴⁰/8.9875517873681764 किलोग्राम

यदि SI की 7 आधार इकाइयाँ SI परिभाषित स्थिरांक के रूप में स्पष्ट रूप से व्यक्त की जाती हैं, तो वे हैं:

• 1 सेकंड = 9,192,631,770/Δν_Cs

• 1 मीटर = 9,192,631,770/299,792,458 सी/Δν_Cs

• 1 किलोग्राम = 8.9875517873681764×10⁴⁰/6.09110229711386655 एच Δν_Cs/सी^2</उप>

• 1 एम्पीयर = 10⁹/1.472821982686006218 यह है Δν_Cs

• 1 केल्विन = 13.80649/6.09110229711386655 एच Δν_Cs/क

• 1 तिल = 6.02214076×10²³ प्राथमिक संस्थाएं

• 1 कैंडेला = 10¹¹/3.82433969151951648163130104605 एच Δν_Cs^{2</सुप> के_CD/श्री}

अंततः, 7 आधार इकाइयों में से 6 में विशेष रूप से ऐसे मान होते हैं जो उस पर निर्भर करते हैं Δν_Cs, जो किसी भी अन्य परिभाषित स्थिरांक की तुलना में कहीं अधिक बार प्रकट होता है।

यह भी देखें

• रूबिडियम मानक

संदर्भ

•  This article incorporates public domain material from Federal Standard 1037C. General Services Administration. (in support of MIL-STD-188).