En 1956, pour tenir compte des défectuosités de la rotation de la Terre qui ralentit notamment à cause des marées, la seconde a été établie sur la révolution de la Terre autour du Soleil et déterminée comme la fraction1⁄31 556 925,9747 de l'année tropique1900.
Depuis la 13e Conférence générale des poids et mesures, la seconde n’est plus basée par rapport à la rotation des planètes, mais par rapport à une propriété de la matière ; cette unité de base du système international a été définie en 1967 dans les termes suivants :
"La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F3 et F4 de l’état fondamental de l’atome de césium 133."
Le césium 133 a un numéro atomique égale à 55, sa masse atomique est de 133.
Les atomes peuvent être dans différents niveaux d'énergie qui sont quantifiés. Le niveau d'énergie le plus faible est communément appelé le "niveau fondamental". Ce niveau fondamental se divise en deux niveaux hyperfins notés respectivement F3 et F4.
Nous savons aussi, que pour faire passer un atome d'un niveau d'énergie à un autre, il faut lui fournir une certaine énergie, sous forme de rayonnement électromagnétique, correspondant à la différence d'énergie des deux niveaux considérés.
Des études menées dans les années 50 ont montré que l'atome de césium 133 pouvait passer du niveau hyperfin noté F3 au niveau hyperfin noté F4 lorsqu'il était soumis à un rayonnement micro-onde de fréquence 9192631770 Hz.
Lors de sa session de 1997, le Comité international a officialisé le fait que cette définition se rapporte à un atome de césium au repos, à une température de 0 K (kelvin).
Aujourd'hui, le moyen le plus précis dont nous disposons pour mesurer le temps est l'Horloge atomique.
Les horloges atomiques utilisent un petit four pour vaporiser du césium(1), le transformant en un "jet atomique". Le jet d'atomes qui en résulte passe par des faisceaux laser(2) qui vont trier les atomes, seuls ceux étant dans le niveau inférieur (F3) pénètrent dans la cavité de Ramsey(3). Il sont ensuite soumis à une onde électromagnétique de fréquence exacte de 9 192 631 770 Hz. qui permet la transition vers le niveau F4.Lorsqu'ils changent d'état, ils émettent une radiation qui est captée par une électrode (6). Ils le font avec une régularité de métronome*, au rythme de 9 192 631 770 vibrations par seconde. La marge d'erreur étant d'une seconde tous les trois millions d'années, on peut raisonnablement dire que la seconde a aujourd'hui une définition fiable.
En 1967, l'atome de Césium 133 était le candidat idéal à la définition de la seconde pour plusieurs raisons :
- Le césium 133 est relativement insensible aux champs électriques. Les minuscules champs électriques à l’intérieur de l'horloge auront un effet nul ou négligeable sur les atomes de césium.
- Le césium est moins rare, et donc moins cher, que d'autres éléments dans le groupe des Alcalins tel que le Rubidium.
- La transition de F3 à F4 est une transition magnétique. Le césium est l'atome alcalin dont cette transition est la moins sensible aux champs magnétiques. Il est donc très peu probable que l'atome fasse une transition de ce genre spontanément. Cela signifie que les atomes dans l'état F4 vont y rester relativement longtemps comparé au temps d'observation, permettant une meilleurs fiabilité de la mesure.
Toutefois, nous assistons depuis quelques années à une "course à la précision", d'autres atomes ont été identifiés comme capables d'une précision plus exhaustive encore. En effet, cette précision devient cruciale dans les mesures de l'infiniment petit.
On a comme éventuels candidats les atomes de calcium, ytterbium, strontium, mercure…
De plus, on attend des "fontaines à césium" une précision 10 à 100 fois plus importante que pour l'horloge atomique.
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