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Définition du temps atomique

Objectif
Le temps atomique est une échelle de temps internationale. Comment a-t-il été défini ? Comment est-il mesuré ? Quelle est l’utilisation des horloges atomiques ?
1. Le temps atomique
Le temps atomique est une échelle de temps basée sur la définition de la seconde.
a. Définition de la seconde
La seconde (s) est l’unité de la mesure du temps dans le système international (S.I.).
La seconde est une des sept unités principales du système international d’unités (S.I.).

Les sept unités du système international :

GRANDEUR UNITÉ S.I. NOTATION
longueur mètre m
masse kilogramme kg
temps seconde s
courant électrique ampère A
température kelvin K
quantité de matière mole mol
intensité lumineuse candela cd

La seconde a été définie en 1967 lors de la 13e Conférence générale des poids et mesures.
b. Le temps universel (TU ou UT)
Le temps universel (TU ou UT) est une échelle de temps basée sur la rotation de la Terre.

La mesure du temps universel se fait en observant chaque jour le passage d’objets célestes (étoiles) au-dessus du méridien du lieu d’observation.
Le temps universel est mesuré avec une précision de l’ordre de la microseconde.
c. Le temps atomique (TAI)
La rotation de la Terre n’étant pas parfaitement régulière, le temps universel est maintenant régulé à partir du temps atomique.
Le temps atomique international (TAI) est une échelle de temps basée sur la seconde et il est établi par le Bureau international des poids et mesures (BIPM).
Il est mesuré à l’aide d’horloges atomiques.
Le temps atomique est mesuré avec une précision inférieure à 10-14 s.
d. Le temps universel coordonné (UTC)
Le temps universel coordonné (UTC) est l'échelle de temps à partir de laquelle les fréquences de référence et les signaux horaires sont disséminés dans le monde de manière coordonnée.

L'échelle de temps UTC est ajustée en insérant des secondes intercalaires afin de garantir un accord approximatif avec le temps universel (basé sur de la rotation de la Terre) et le temps atomique (basé sur des horloges atomiques).
2. Les horloges atomiques
Le temps atomique est mesuré à l’aide d’horloges atomiques.


 
Horloge atomique à césium (1955)
a. Les horloges à jet de césium
Principe de fonctionnement :

Une enceinte chauffée contient du césium 133.
Un signal de fréquence égale à f = 10 MHz, créé par un quartz piézoélectrique, est injecté dans une cavité résonante.
Un jet d’atomes de césium dans un état d’énergie E1 est injecté dans l’enceinte, et subit la transition énergétique de fréquence f0 = 9 192 631 770 Hz en passant vers un état d’énergie E2.
Un capteur placé en sortie, produit un signal proportionnel au nombre d’atomes reçus. Un système d’asservissement ajuste la fréquence de l’oscillateur à quartz sur la fréquence optimale f0.
Le système décompte alors le temps par l’intermédiaire d’un circuit électronique.
b. Les horloges à atomes froids
PHARAO (projet d’horloge atomique à refroidissement d’atomes en orbite) est une horloge atomique élaborée par le CNES.
Cette horloge, embarquée à bord de satellites, ou en situation de microgravité, permet d’améliorer encore la stabilité du système.
3. Utilisation des horloges atomiques
Les horloges atomiques ont de nombreuses utilisations dans le quotidien et en recherche.

Les horloges atomiques sont utilisées pour définir le temps international en définissant l’heure dans chacun des fuseaux horaires.

La mesure de plus en plus précise du temps a permis des avancées dans de nombreux domaines scientifiques.

On trouve aussi par exemple des horloges atomiques embarquées dans les satellites du système GPS (géolocalisation par satellite). La synchronisation des signaux qui sont envoyés est donc réglée par des horloges avec une excellente précision.

Les horloges atomiques sont aussi utilisées en spectroscopie, en géodésie, en astronomie, astrophysique, dans le domaine des télécommunications (diffusion d’émission de radio et de télévision, téléphonie,…) ….

Enfin, les horloges atomiques ont permis de mettre en évidence la théorie de la relativité.
L'essentiel
• Le temps atomique est une échelle de temps basée sur la seconde et mesuré par des horloges atomiques.

• La seconde est définie par rapport à une transition de l’atome de césium 133.

• Les horloges atomiques les plus répandues sont les horloges à jet de césium 133.
Les horloges atomiques ont de nombreuses utilisations dans la vie quotidienne (régulation du système GPS, radio, télévision) et recherche (astrophysique, spectroscopie…).

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