1초의 정의를 내리는 세슘 원자시계의 원리가 무엇인가요?

Question

1초의 정의를 내리는 세슘 원자시계의 원리를, 세슘-133 원자의 바닥 상태에 있는 두 초미세 에너지 준위 사이를 전자가 전이할 때 발생하는 전자기파의 특정 진동수를 측정하는 방식으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

현재 국제적으로 통용되는 1초의 정의는 세슘-133 원자의 미시적인 특성을 기준으로 삼습니다. 원자 내부의 전자는 특정한 에너지 층에 머무는데, 가장 안정된 상태인 바닥 상태에서도 아주 미세하게 에너지가 갈라지는 초미세 구조를 가집니다.

세슘 원자시계는 바로 이 두 초미세 에너지 준위 사이를 전자가 이동할 때 발생하는 현상을 이용합니다. 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 준위로 전이하기 위해서는 두 층의 에너지 차이에 정확히 부합하는 특정 주파수의 전자기파를 흡수해야 합니다. 반대로 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어질 때는 그 차이만큼의 에너지를 전자기파 형태로 방출하게 됩니다.

이때 발생하는 전자기파는 매우 일정한 진동수를 유지하는데, 과학자들은 이 특정 진동수를 정밀하게 측정하여 시간을 규정합니다. 세슘-133 원자가 방출하거나 흡수하는 이 전자기파가 9,192,631,770번 진동하는 데 걸리는 시간을 바로 1초로 약속한 것입니다.

이 방식은 외부 환경 변화에 거의 영향을 받지 않는 원자의 고유한 물리량을 이용하기 때문에, 과거 지구의 자전이나 공전을 기준으로 했던 방식보다 훨씬 정밀합니다. 수천만 년에 1초의 오차도 허용하지 않는 현대의 정밀한 시간 측정은 이처럼 보이지 않는 원자 내부의 에너지 전이 과정을 끊임없이 계측함으로써 유지되고 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

현대에서 1초란 Atomic Clock의 기준이 되는 세슘-133 원자의 고유한 진동 현상으로 정의되는데요, 지구 자전은 아주 미세하게 흔들릴 수 있지만, 원자의 에너지 준위 차이는 어디서나 거의 동일하게 유지되기 때문입니다. 세슘-133 원자의 바닥 상태에서는 전자와 원자핵의 자기적 상호작용 때문에 에너지가 아주 조금 다른 두 개의 초미세 에너지 준위로 나뉘어 있으며, 전자가 이 두 준위 사이를 전이할 때는 정확한 에너지 차이에 해당하는 특정 주파수의 전자기파를 흡수하거나 방출합니다. 이때 세슘 원자의 두 초미세 준위 사이의 에너지 차이는 항상 일정하므로, 그에 대응되는 진동수 역시 매우 정확하게 고정됩니다. 현재 국제단위계에서는 세슘-133 원자의 이 전이에 대응되는 전자기파가 정확히 다음 횟수만큼 진동하는 시간을 1초로 정의합니다. 즉 세슘 원자에서 나오는 특정 마이크로파가 91억 9263만 1770번 진동하는 데 걸리는 시간이 바로 1초입니다. 세슘 원자시계는 먼저 세슘 원자에 특정 마이크로파를 쏘아 주고, 원자들이 가장 강하게 공명하는 주파수를 찾아내며, 전자회로가 그 공명 주파수에 계속 맞춰지도록 자동 조정하면서 시간을 유지합니다. 즉 세슘 원자의 고유한 떨림을 기준 삼아 시간을 세는 것입니다. 이 방식은 오차가 극도로 작아서, 최신 원자시계는 수천만 년 동안 1초 정도밖에 틀리지 않을 정도의 정밀도를 가집니다. 감사합니다.