时间的基本单位——秒的规定.doc

时间的基本单位秒的规定长度、质量和时间是力学中的三个基本量，这三个量的单位不仅在物理学中处于重要地位，而且在其它学科以及日常生活中也离不开它们。在国际单位制中这三个量的基本单位分别是米、千克、秒。那么这些基本单位是怎样规定的？在中学物理教材中对米和千克的规定已有叙述，而对时间的基本单位秒的规定未作介绍。在这篇文章中笔者试图用目前中学使用的理化教材中的知识对“秒”的规定的主要方面及其前后变迁情况作一介绍。一秒的最初规定：太阳早升晚落是人们经常观察到的现象，太阳在天空的位置也就自然成为人们观察时间的依据。太阳连续出现在天空同一位置所经过的时间间隔叫做一天，也就是天文学中的“真太阳日”。应该说明的是真太阳日并不等于地球自转一周的时间，这是由于地球除自转外还绕太阳作公转。公转轨道是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上。当地球自转一周时，同时在公转轨道上地球经过一段孤长，相应地地球自转必需多转一定角度才能在地面上观察到太阳和前一天出现在同一位置的情况。如图一所示。可见用太阳的位置来观察时间，其结果不仅和地球自转有关也和地球绕太阳公转有关。不幸的是地球在公转轨道上的运动并不是匀速的，根据描述行星运动的开普勒定律可知太阳和行星的联线在相等的时间内扫过相等的面积，因之地球运动到近日点时它的线速度最大，而在远日点时线速度最小，如图二所示。也可以作如下简单推导，设在近日点处地球速度为v1地日距r1；远日点处地球速度为v2，地日距为r2。面积速度相等即v1r1=v2r2，由此式可得 使得各个真太阳日的时间间隔不等，这对观日定时是不利的。于是人们把一个回归年的所有真太阳日加以平均，其平均值叫平太阳日。1789年法国成立特设科学委员会研究时间计量标准，历时近30年于1820年正式提出最初的秒长定义：平太阳日时间长度的86400分之一规定为一秒。秒长的这一规定由1820年使用到1960年。由此定义，明显看出它是建立在地球自转的基础上的。随着科学的发展，人们观测到地球的自转也是不均匀的，有时快，有时馒，但自转的总趋势是减慢，这就使得前面的定义中的秒长不是一个不变的时间间隔，它的准确度只能达到10-7数量级，满足不了高度发展的科学技术的要求。二历书时系统的秒长定义：力学的发展使得人们根据力学规律可以精确计算出各时刻运动物体所处的位置，反之如果能够观测到运动物体的位置，也就可以确定运动体在该位置的时刻。在浩翰的宇宙中，将地球看作一个质点，在地球质点上观测其它星体的位置，例如，由于地球公转，太阳相对地球的位置不断发生变化。同样月球绕地球公转，月球相对地球位置也在不断发生变化。由观测太阳或月亮相对地球的位置就可以确定时间，这种时间系统不受地球自转的影响，是均匀的，称为历书时。历书时规定当太阳在一个特定的位置时（太阳几何平黄经为2794148的瞬时）作为1900年1目0日12时正。历书时秒的定义为：由1900年1月0日12时开始的一个回归年长度的131556925.9747，这一分数的分母是1900年回归年的天数246060而得到的。1985年国际天文学会通过决议：自1960年起采用历书时秒作为天文学的时间标准。这种时间标准由于对星体准确位置观测上的困难，使得秒长误差在10-9数量级，历书时秒仅使用了数年时间便被原子秒所代替了。三、原子秒的定义：在介绍原子秒之前首先了解一点原子方面的基本知识，原子是由原子核及核外电子所构成的，核外电子在一定轨道上绕核运动，允许的轨道有多个。电子在不同轨道上运动，原子就具有不同的能量，用原子物理的术语来说就是原子处于不同的能级。当原子受到电磁波辐射时吸收电磁波能量，电子由低能轨道跃迁到高能轨道，这时原子处于激发态。反之电子由高能轨道回到低能轨道时要向外辐射电磁波，电子处在最低能量轨道时原子能量最低，称基态原子。原子辐射或吸收电磁波的频率严格满足下列条件： 两个能级，h为布朗克常数。原子的各个能级是固定的，这使原子只能辐射或吸收一定频率的的电磁波，该电磁波频率所对应的周期为：干倍为一秒，我们就会得到重复性极好的秒。但是，原子秒并不是由电子轨道的变化所定义的，而是由所谓的核自旋的变化来定的。原子中除电子绕核转动外，原子核本身在作自转，称核自旋，由量子力学理论得知核自旋的方向只能取几个不连续的方向。对应核自旋的不同方向，使原子处在不同的能级，即所谓的超精细能级。当原子发生超精细能级之间的跃迁时，也就是核自旋由一方向跃迁到另一个方向时，伴随着有一定频率的电磁波的辐射或吸收。第十三届国际计量大会（1967年10月）作出规定：铯原子133基态的两个超精细能级之间跃迁振荡9192631770周所经历的时间为一个原子时秒，也就是说当原子量为133的铯原子处在基态中时核自旋由一种自旋方向转变为另一种自旋方向