"Parce que c'est ainsi que le second est défini" est bien - mais cela nous amène immédiatement à la question "pourquoi le césium est-il devenu la norme"?

Pour répondre à cela, nous devons regarder le principe d'une horloge atomique: vous regardez la fréquence de la transition hyperfine - une division des niveaux d'énergie causée par le champ magnétique du noyau. Pour que cela fonctionne, il vous faut:

• un atome qui peut facilement être vaporisé (dans les solides, le principe d'exclusion de Pauli provoque un élargissement de la ligne)
• un atome avec un champ magnétique (pour l'interaction électron-champ): nombre impair de protons / neutrons
• un atome avec un seul isotope stable (vous n'avez donc pas à le purifier et à ne pas avoir plusieurs lignes)
• une fréquence élevée pour la transition (mesure plus précise en un temps plus court)

Lorsque vous mettez tous les éléments candidats possibles contre ce tableau, vous constatez que Cs-133 est votre meilleur candidat . Ce qui en a fait l'élément préféré; puis la norme; et maintenant, à peu près le seul utilisé.

J'ai trouvé une grande partie de ces informations sur http://www.thenakedscientists.com/forum/index.php?topic=12732.0

Le choix du césium est dû à divers facteurs. Il convient de noter que votre déclaration "Les horloges atomiques modernes n'utilisent que des atomes de césium" est tout simplement fausse. À tout le moins, les horloges au rubidium et à l'hydrogène sont courantes et vous pouvez obtenir des normes de rubidium sur eBay pour bien moins de 200 $. Mais la meilleure performance vient de l'utilisation du césium. Ceci est en partie dû au fait qu'il a été choisi comme standard, et en tant que tel, il est considéré comme plus utile de consacrer des efforts de développement à des améliorations de la norme plutôt qu'à une alternative. Différents facteurs:

1. À des températures raisonnables, le césium a une pression de vapeur élevée, ce qui rend les effets de résonance relativement faciles à observer.

2. Large transition hyperfine, créant un meilleur Q du résonateur résultant.

3. Contrairement au rubidium, le césium n'a qu'un seul isotope stable, il est donc beaucoup plus facile d'obtenir un gaz vraiment pur. Aucune séparation isotopique requise.

EDIT - PlasmaHH a remarqué la stabilité de fréquence supérieure de l'hydrogène par rapport au césium. Bien que cela soit vrai, le césium montre une meilleure précision intrinsèque (environ 2 ordres de magnitude) et aucun effet de vieillissement, là où l'hydrogène vieillit. Cette combinaison fait du césium un meilleur standard, car un standard n'a pas de référence à vérifier pour calibrer les dérives. Voir http://www.chronos.co.uk/files/pdfs/itsf/2007/workshop/ITSF_workshop_Prim_Ref_Clocks_Garvey_2007.pdf pour une discussion avec un fabricant.

Comme mentionné par WhatRoughBeast, le césium offre plusieurs avantages par rapport aux autres normes micro-ondes. Sa caractéristique la plus importante est la présence d'une transition atomique avec une très petite largeur de ligne. Cela permet d'établir très précisément l'énergie de cette transition (voir le principe d'incertitude).

Cependant, le césium n'est pas le seul atome avec une transition étroite. Par exemple, les ions Yb + ont une transition octupolaire large de nHz: un atome excité à cet état durerait plusieurs années avant de se désintégrer. Cela permettrait en principe de très bien déterminer la fréquence de la transition.

Alors pourquoi les horloges atomiques n'utilisent-elles que du césium? Eh bien ...

Ils ne le font pas

La seconde moderne est définie en termes de transition hyper-fine Cs donc, bien sûr, aucune autre horloge ne peut être aussi précis que le césium, purement par définition. Mais dans le domaine des horloges atomiques, le mot «précis» prend un sens spécifique.

Fréquemment en physique, nous faisons référence à exactitude et précision. La précision d'un élément correspond à la concordance de sa moyenne avec la valeur "correcte", alors que la précision correspond à la dispersion des résultats. Voir l'image ci-dessous.

Pour les horloges atomiques, les quantités pertinentes sont la précision et la stabilité. Ici, la précision se réfère à la façon dont l'horloge réalise la seconde SI et la stabilité se réfère à la rapidité avec laquelle elle le fait. La (in) stabilité d'une horloge se produit parce que toutes les mesures ont un bruit statistique: ce n'est qu'après de nombreuses mesures que vous obtenez la bonne réponse, et la stabilité vous indique combien de mesures vous devez effectuer .

Représentations secondaires de la seconde SI

Donc, si la seconde est définie par le césium, pourquoi ai-je dit que toutes les horloges ne l'utilisent pas?

Le Comité international des poids et mesures (CIPM) a adopté en 2012 8 représentations secondaires de la seconde SI. 7 d'entre eux sont des horloges optiques qui offrent de nombreux avantages par rapport à une fontaine au césium (connue sous le nom de norme micro-ondes).

Pour savoir à quel point une horloge est bonne, vous devez la comparer à une autre horloge sinon vous n'avez aucune référence! Les meilleures fontaines modernes au césium s'accordent les unes avec les autres à environ $ \ frac {\ Delta \ nu} {\ nu} \ approx 10 ^ {- 16} $. Les horloges atomiques optiques modernes, telles que les horloges à ion ytterbium ou les horloges à réseau de strontium, peuvent présenter des accords approchant $ \ frac {\ Delta \ nu} {\ nu} \ approx 10 ^ {- 18} $: c'est 100 fois mieux! De plus, les horloges optiques s'améliorent encore rapidement. Il semble que, très bientôt, les meilleures horloges optiques dépasseront les horloges micro-ondes de plusieurs ordres de grandeur. Consultez cet article dans Nature pour plus d'informations.

Ces horloges fonctionnent en utilisant des transitions qui utilisent des fréquences visibles, par opposition aux fréquences micro-ondes utilisées dans les horloges Cs. Ainsi, alors que Cs est toujours la définition de la seconde, les horloges optiques modernes offrent de bien meilleures performances et devraient bientôt remplacer le césium comme standard.

Le graphique ci-dessous montre les performances des horloges atomiques au fil du temps. Les points rouges représentent les points auxquels les horloges optiques fonctionnent mieux que les horloges au césium. Il est important de noter que les fontaines à césium ont connu des améliorations de 5 ordres de grandeur au cours des 40 dernières années: pas moyen!

Parce qu'une seconde est définie comme (d'après la brochure SI):

la durée de 9192631770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium -133, $ {} ^ {133} \ mathrm {Cs} $.

Ainsi, l'utilisation de tout autre atome est non pertinent (même si calculer un facteur de temps de correction).

Comme d'autres utilisateurs l'ont dit, il a un isotope stable, donc c'est bien.

C'est aussi le standard SI. Nous définissons le second par Césium. Concrètement:

La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.

Donc, si nous devions utiliser un autre atome, ce ne serait pas aussi précis. Même si nous calculions le nombre de périodes d'une autre substance qu'il fallait pour égaler une seconde, même si elle n'était décalée que d'un facteur 10 ^-12 , ce ne serait toujours pas aussi précis que le système que nous J'utilise aujourd'hui.