원자(분자)의 고유공명주파수(固有共鳴周波數)를 기준으로 한 가장 정밀한 시계로 보통 세슘원자가 사용되고 있다. 자장(磁場) 속에서 원자는 미세한 자석과 같이 움 직이며, 원자핵의 자기 모멘트는 자장에 대해 평행 혹은 역평행해진다.원자가 놓인 자기장이 교류 자기장(交流磁氣場)이고, 그 진동수가 세슘 원자의 고유 진동수와 같으면 원자의 자극의 박향이 변화한다.
원자로에서 발사되는 세슘 원자의 빔은 진공관 내를 통과하여 고정된 자석에 의해 굽어져 교류자기장에 들어간다. 자장의 주파수가 맞으면 원자의 자극은 방향을 바꾸어 또 하나의 고정된 자석에 의해 역방향으로 굽어져 검출기(檢出器) 위에 초점을 맺는다. 자기장의 주파수가 맞지 않으면 원자는 발산된다.
실제로는 교류자기장의 주파수를 조금씩 변화시켜 검출기가 최대의 감도(感度)를 나타냈 을 때의 주파수가 세슘 원자의 주파수와 같게 된다. 런던 근처 테딩턴의 국립물리연구소에 있는 세슘 원자시계는 정밀도가 1/300,000,000,000 이며 오차는 1,000년에 1초이다.
원자시계의 착상은 오래되었으나, 구체화된 것은 마이크로파 분광학(分光學)이 급속히 발전한 제2차 세계대전 후의 일이다.
1948년경 미국 국립표준국(國立標準局)에서 암모니아 분자의 공명선을 이용한 흡수방식의 원자시계가 세계에서 최초로 시작 되었으며, 동시에 세슘 원자를 사용한 빔 흡수방식의 실험도 개시되었다. 그 후 발진형의 암모니아 분자 빔 메이저에 이어 수소 메이저, 또 루비듐 등의 알칼리금속 원자를 사용한 가스셀 흡수형장치의 연구개발도 이루어 졌다. 세슘 원자시계는 시간의 단위인 초(抄)의 정의에 사용됨과 동시에 국제원자시(國際原子時) 설정의 기본이 되어 있다.
국제원자시는 국제보시국(國際報時局)이 세계 각국의 세슘시계의 상호비교 데이터를 사용해서 계산하는 평균원자시이며, 천체관측을 통한 시계(時系)를 대신하여 1958년 이래로 시각의 기준으로서 사용되고 있다.
우리 나라에서 원자시계에 관한 연구는 한국표준과학연구원에서 1988년부터 시작되었다. 그 당시에는 우리 나라에 원자시계에 관한 제작기술이 전무하였기 때문에 선진국 수준을 따라잡기 위해서는 재래 방식의 원자시계보다는 상대적으로 역사가 짧은 광펌핑 방식을 택하였다.
5년씩 2단계의 연구를 통해서 원자시계에 관련된 모든 기술을 파악하고 확보하였다. 이 원자시계는 KRISS-1으로 명명되어 국제 학술지 및 학술회의, CCTF 회의 등에 보고되었다. 주파수 안정도 면에서는 현재 한국표준시계로 사용되고 있는 상용 세슘원자시계( HP5071A ) 보다 6배 개선되었다.
사진에 나와 있는 시계는 한국표준과학연구원에서 보유하고 있는 광펌핑 세슘 원자시계 이다.
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