นาฬิกาอะตอม

สาระน่ารู้การศึกษาวิทยาศาสตร์

นาฬิกาอะตอม( atomic clock )

วัฒน วัฒนากูล
นักวิชาการสาขาวิทยาศาสตร์มัธยมศึกษา

หลักสูตรวิทยาศาสตร์พื้นฐาน สาระสารและสมบัติของสารช่วงชั้น ที่ 4 (ม. 4-6)ได้กำหนดมาตรฐานการ เรียนรู้ช่วงชั้นให้ผู้เรียน สืบค้น ข้อมูล อภิปรายและอธิบายเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม  ซึ่งเป็นเรื่องที่มี ความสำคัญมากขึ้นใน ปัจจุบัน  เนื่องจากความ ก้าวหน้าของวิทยาการ ต่างๆ ที่อาศัยเทคโนโลยีระดับ อะตอมมาประยุกต์ใช้ในกิจกรรมต่างๆ เช่น พัฒนาคุณภาพสินค้าให้มีคุณภาพ มากขึ้น สอดคล้องกับความต้อง การของผู้บริโภคเช่น ผ้า คอนกรีต และกระจก ที่มีสมบัติไม่เปียกน้ำ ฝุ่นไม่เกาะ ผลิตภัณฑ์ที่ ใช้ในการบำบัดน้ำ เช่น ถ่านกัมมันต์   ซีโอไลท์ สังเคราะห์ ซึ่งมีสมบัติในการดูดซับสารดีขึ้นผลิตภัณฑ์ยาโดยการนำยา บรรจุในโมเลกุลของคาร์บอน60 คาร์บอน80 เพื่อให้ตัวยาไป ออกฤทธ์ ิ์เฉพาะที่ ในอนาคตมีการพยายามนำเทคโนโลยีนี้มาผลิต อุปกรณ์กีฬา นอกจากนี้การศึกษาวิจัยในระดับอะตอมยังสามารถประดิษฐ์นาฬิกาแบบ|
ใหม่ที่บอกเวลาได้อย่างเที่ยงตรงมากนั่นคือ นาฬิกาอะตอม( atomic clock )

(ภาพจาก www.wuethrich,ws/)

 

มีคำถามว่า นาฬิกาที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมีความ เที่ยงตรงไม่พอหรือ หาก พิจารณา วิวัฒนาการของประดิษฐ์กรรม เครื่องมือบอกเวลาแล้วจะทำให้เข้าใจ ได้ว่า การประดิษฐ์นาฬิกานั้นต้องมีการพัฒนาขึ้นเรื่อยๆ เริ่มตั้งแต่สมัยอียิปต์ ์เมื่อ1,500 – 1,300ก่อนคริสตศักราช นาฬิกาแดดได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นแต่ไม่ ค่อยเที่ยงตรงนักเพราะในฤดูร้อนกลางวันจะยาวกว่ากลางคืน ฤดูหนาวกลางวัน จะสั้นกว่ากลางคืน ดังนั้นในตอนกลางวันของฤดูร้อน เงาของแดดที่ทอดไป ทาบกับแผงบอกเวลาบนนาฬิกาแดดตั้งแต่ เช้าจรดเย็นจึงนานกว่าในฤดูหนาวทำให้คนสมัยนั้นรู้สึกว่าในฤดูร้อนชั่วโมงจะยาวกว่าในฤดหนาว

นาฬิกาแดด

นาฬิกาแดด

(ภาพจาก www.arcytech.org)

 

ต่อมาอีก400 ปี ก่อนคริสตศักราช ชาวกรีกได้ใช้ปริมาณน้ำที่ไหลออกมาจากท่อท่อหนึ่งเป็นเครื่องกำหนดเวลา จนถึงปี ค.ศ. 980 กษัตริย์แซกซอนพระองค์หนึ่ง ใช้ปริมาณการเผาใหม้ ้ของเทียนไขในการบอกเวลา ซึ่งในปี ค.ศ.1000  ชาวจีนได้ใช้การเผาไหม้ของเทียนไขและธูปบอกเวลาเช่นกัน ประมาณศตวรรษที่ 1400 ในยุคที่ยุโรปมีความเจริญ ในด้านการประดิษฐ์เครื่องยนต์กลไก ชาวยุโรปได้นำเอาสปริงและหลักการ ความสมดุลของการหมุนวนในเหล็กสปริง มาประดิษฐ์เป็นนาฬิกาเครื่องกล  เมื่อถึง ค.ศ.1657   คริสเตียน ฮิวเกนส์(Christiaan Huygens ) ได้ประดิษฐ์นาฬิกา ลูกตุ้ม ขึ้นเป็นเครื่องแรก ต่อมาปี ค.ศ. 1928 W.A. Marrison of Bell Laboratories ได้ประดิษฐ์นาฬิกาควอตซ์ขึ้น มีความเที่ยงตรงถึง1/ 2,000 วินาทีต่อวัน แต่นั่นก็ยัง ไม่เป็นที่พอใจของนักวิทยาศาสตร์ จนกระทั่งNational Bureau of Standards ซึ่งปัจจุบันเปลื่ยนชื่อเป็น National Institute of Standards and Technology( NIST ) ได้ประดิษฐ์นาฬิกา อะตอมเครื่องแรก โดยใช้แก๊สแอมโมเนีย ต่อมาก็มีการนำเอาธาตุไฮโดรเจน รูบิเดียมและซีเซียมมา ประดิษฐ์เป็นนาฬิกาอะตอม

นาฬิกาน้ำสมัยกรีก
(ภาพจาก www.arcytech.org)

 

นาฬิกาลูกตุ้มของฮิวเกนส์
(ภาพจาก www.edu.engines/epi1307.html)

 

 

นาฬิกาอะตอมที่ได้รับการเชื่อถือมากประดิษฐ์จากซีเซียม 133 โดยใช้จำนวนการสั่น พ้อง ของอะตอมซีเซียม133 ใน 1 วินาที มีหลักการทำงาน ตามขั้นตอนดังนี้
1. ทำการคัดเลือกอะตอมของซีเซียม133 ให้มีอะตอมที่มีการเปลี่ยนแปลง
พลังงานในhyperfine ชนิดเดียว โดยให้อะตอมผ่านไมโครเวฟ ที่ความถี่ที่เพียงพอ ทำให้อะตอมเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานในhyperfine ของอะตอม
2. วัดจำนวนอะตอมที่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานใน hyperfine ของอะตอมที่
ี่ออกมาปลายทาง
3. ปรับคลื่นความถี่ของไมโครเวฟเพื่อให้อะตอมที่มีการเปลี่ยนพลังงานในระดับ hyperfine ออกมาที่ปลายทางมากที่สุด
4. อ่านที่เครื่องวัดและคำนวนได้ว่า อะตอมมีการสั่นพ้องเป็นจำนวน 9,192,631,770 ครั้ง ใน 1 วินาที

นาฬิกาอะตอม NIST-F1
(ภาพจาก www.boulder.nist.gov)

ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงกำหนดหน่วยของวินาทีในระบบ SI ว่า 1 วินาที มีค่าเท่ากับ อะตอมของธาตุซีเซียม133 เกิดการสั่นพ้องจำนวน 9,192,631,770 ครั้ง เวลาของนาฬิกาอะตอมนี้มีความเที่ยงตรงมากที่สุด เพราะในหนึ่งล้านปี เวลาของนาฬิกาอะตอมจะมีความคลาดเคลื่อนเพียง 1 วินาที

เวลาจากนาฬิกาอะตอมนี้นำมาเพื่อใช้ประโยชน์ในการติดต่อกับดาวเทียมและ
ใช้ในการเดินทางไปในอวกาศเพราะต้องการเวลาที่มีความเที่ยงตรงและแม่นยำ ที่สุด เราสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการประดิษฐ์อุปกรณ์ที่เรียกว่า Global Positioning System หรือ GPS ซึ่งสามารถหาตำแหน่งต่างๆ บนโลกนี้ได้ อย่างแม่นยำไม่ว่าคุณจะอยู่ที่ละติจูดและลองติจูดที่เท่าใด ในการหาตำแหน่งบน พื้นโลกใบนี้จะต้องใช้ดาวเทียมถึง 24 ดวงโคจรรอบโลกครอบคลุมทุกพื้นที่ เพื่อตรวจรับและส่งสัญญาณไปยังเครือข่ายต่างๆ ปัจจุบันมีการนำเครื่องมือ GPS มาใช้เพื่อค้นหาผู้ประสบภัยต่างๆนอกจากนี้ยังนำไปใช้ประโยชน์ในทางการทหารด้วย

 

นอกจากนาฬิกาอะตอมจะนำมาใช้กับเครื่องมือ GPS แล้ว ในสหรัฐอเมริกายังได้ผลิตนาฬิกาข้อมือ นาฬิกาตั้งโต๊ะ นาฬิกาแขวนผนัง ให้มีเวลาที่สอดคล้องตรงกับเวลาจากนาฬิกาอะตอม เรียกนาฬิกาเหล่านั้นว่า Synchronize Watches 
หรือ Synchronize Clock ท่านทั้งหลายสนใจที่จะทำการเทียบเวลากับนาฬิกาอะตอมหรือยัง ท่านสามารถเข้าเวปไซต์ของ นาฬิกาอะตอมเพื่อตั้งเวลาในเครื่องคอมพิวเตอร์หรือนาฬิกาของท่าน ให้ตรงกับเวลาของนาฬิกาอะตอมได้แล้ว

หมายเหตุ hyperfine structure เป็นการรบกวนเล็กๆจากโมเมนต์ของการเกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตอนกับ อิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลักของอะตอม

เนื้อหาอ้างอิง
http://whylifes.org
http://www.howstuffworks.com
http://www.britannica.com
http://www.watchesbuygosh.com
http://www.nanotect.com