●原子時計【げんしどけい】

原子または分子の，特定のエネルギー準位間の遷移に伴う電磁波の周波数を時間間隔の基準とする時計。この電磁波は，原子または分子に固有の周波数をもち，しかも非常に精度が高い (周波数変動が 10^-13 以下も可能) 。水素メーザー，アンモニアメーザー，セシウムやタリウムの原子線の磁気共鳴を用いるもの，ルビジウム蒸気の光ポンピングによるものなどがある。 1955年，J.パリが初めて高精度のセシウム原子時計を作動させ，67年国際度量衡総会でセシウム原子周波数標準 9192631770Hzによって秒が定義された。日本でもルビジウム蒸気セルを使った原子時計が開発され，1000年に誤差1秒ほどの精度が得られている。

原子の特定の二つのエネルギー準位間の遷移によって放射されるマイクロ波の振動数が一定であることを利用した時計。多くセシウム原子や水素原子を用いる。

原子や分子のもつ固有のスペクトル線を基準として用いた時計。スペクトル線としては，通常，その周波数がマイクロ波帯にあり，磁場や電場などの外界の影響が少ないものが用いられる。原子時計には，スペクトル線を利用する方法により吸収型(共鳴型)とメーザー型がある。前者は，スペクトル線の周波数に近いマイクロ波を発生させてこれを原子や分子にあて，両者の周波数が一致したときにマイクロ波の吸収が最大になることを利用するもので，セシウム原子時計，ルビジウム原子時計などがある。

原子（分子）の固有共鳴周波数を基準にしたもっとも精密な時計。原子（分子）のエネルギーは、固有のとびとびの一定値をとり、あるエネルギーW₁の状態から別の値W₂に移り変わるとき、ボーアの振動数条件ν₀＝|W₁－W₂|/h（hはプランク定数）で与えられる共鳴周波数ν₀の電磁波を放出あるいは吸収する。この現象を利用するのが原子時計であり、外乱のない自由な原子（分子）でのν₀は一定不変である。しかし実際の時計では、このような理想的条件は一般に満足されず、ν₀のずれや、共鳴線幅の広がりなどがおこる結果、原子時計の周波数の正確さや安定度（一定さの度合い）が損なわれる。

　原子時計は、原子（分子）の共鳴線（共鳴特性）の利用方法により、吸収型と発振型の2方式に分類できる。前者では、水晶発振器の出力周波数を逓倍(ていばい)し（高調波を使って順次高くし）、共鳴線の中心周波数（ν₀）近傍のマイクロ波を発生し、これを空胴共振器に導いて、その中に閉じ込めた原子（分子）にマイクロ波の共鳴吸収をおこさせる。共鳴検出器からは、振動を助長する励振マイクロ波周波数とν₀との差に比例した誤差信号が出力として得られる。この信号を用いて水晶発振器の周波数をν₀と一定の関係に固定すれば、安定な時計を得ることができる。後者の方式は、共鳴に関係する高低二つのエネルギー状態のうち、高いほうの原子（分子）だけを選別して、ν₀に同調した空胴共振器に導く。すると、自然のマイクロ波（雑音）が引き金となって、原子（分子）からエネルギーの放出（誘導放出）がおこり、その結果、空胴内でν₀の発振が持続する。

　原子時計の着想は古いが、具体化されたのは、マイクロ波分光学が急速に発展した第二次世界大戦後のことである。1948年ころアメリカ国立標準局で、アンモニア分子の共鳴線を利用した吸収方式の原子時計が世界で初めて試作され、同時にセシウム原子を用いたビーム吸収方式の実験も開始された。その後、発振型のアンモニア分子ビームメーザーに続いて、水素メーザー、またルビジウムなどのアルカリ金属原子を用いたガスセル吸収型装置の研究開発も行われた。これらのうち、セシウム時計の正確さがもっとも高く、現在では誤差10兆分の1（30万年に1秒の誤差）に達している。セシウム原子時計は、時間の単位である秒の定義に用いられるとともに、国際原子時設定のもととなっている。国際原子時は、国際報時局が世界各国のセシウム時計の相互比較データを用いて計算する平均原子時であって、天体観測に基づく時系にかわって、58年以来時刻の基準として用いられている。一方水素メーザーは、短期（数時間程度）の周波数安定度が優れており（誤差約1000兆分の1）、超長基線電波干渉計や深宇宙探査など、精密な電波計測には不可欠である。またルビジウム時計は小型・軽量を特徴とする。これらの原子時計は、前述の用途のほか、通信、放送などの分野で広く使われている。また間接的ではあるが、身近な利用例として、20世紀末より急速に普及したカーナビゲーション用のGPS（Global Positioning System＝全地球測位システム）がある。各衛星はセシウムとルビジウムの原子時計を搭載して、高精度な時刻信号を発射し、地上での測位精度を高めている。

［若井　登］

『吉村和幸・古賀保喜・大浦宣徳著『周波数と時間――原子時計の基礎　原子時のしくみ』（1989・電子情報通信学会、コロナ社発売）』▽『F・G・マジョール著、盛永篤郎訳『量子の鼓動――原子時計の原理と応用』（2006・シュプリンガー・フェアラーク東京）』