પરમાણુ–ઘડિયાળ (atomic clock) : અતિસૂક્ષ્મ અને ચોક્કસાઈભર્યું સમયનું માપન કરતી એક પ્રયુક્તિ. પરમાણુની ધરા-અવસ્થા(ground state)ના બે અતિસૂક્ષ્મ ઊર્જાસ્તરો (energy levels) વચ્ચેની સંક્રાંતિ(transition)ને અનુલક્ષીને વિકિરણદોલનો (oscillations) માટેના સૂક્ષ્મ સમયના ગાળાની નોંધ એકમાત્ર ન્યૂક્લિયર ઘટના પરથી મળી શકે છે. આ ન્યૂક્લિયર ઘટના પરમાણુના બે ઊર્જાસ્તરો વચ્ચેના વિકિરણના દોલન પરથી મેળવી શકાય તથા આ સિદ્ધાંતના આધારે સમયનો એકમ પણ વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય. સમયનો એકમ સેકન્ડ છે. એક સેકન્ડ નક્કી કરવા પરમાણુના ન્યૂક્લિયસની ધરા-અવસ્થાની પ્રયુક્તિ તે પરમાણુ-ઘડિયાળ.
સીઝિયમ-133 પરમાણુની ધરા-અવસ્થાના બે અતિસૂક્ષ્મ ઊર્જા-સ્તરો વચ્ચેની સંક્રાંતિને અનુલક્ષીને વિકિરણમાં 9,192,631,770 દોલનો માટેના સમયના ગાળાને એક સેકન્ડ ગણવામાં આવે છે. આ યોજના વડે મળતા સમયમાપનના સાધનને પરમાણુ-ઘડિયાળ કહે છે.
પરમાણુ-ઘડિયાળને કોઈ અનુકૂળ પદાર્થના અણુ કે પરમાણુની પ્રાકૃતિક અનુનાદીય આવૃત્તિ (resonance frequency) અને બાહ્ય આવૃત્તિની યોજના પણ કહેવાય છે. આ આવૃત્તિ સામાન્ય રીતે માઇક્રોતરંગની 1400 મેગાહર્ટ્ઝ(એટલે કે 1,400,000,000 સાઇકલ પ્રતિસેકન્ડ)થી 24,000 મેગાહર્ટ્ઝ સુધીની હોઈ શકે છે, જે પરમાણુ-ઘડિયાળમાં પ્રયોજાય છે. પરમાણુ-ઘડિયાળ માઇક્રોતરંગ-આવૃત્તિના સિદ્ધાંત પર પણ કાર્ય કરે છે. તેથી સમયનું અતિ સૂક્ષ્મ અને ચોક્કસ માપન મળે છે. 30,000 વર્ષો પછી પણ તેમાં ત્રુટિ એક સેકન્ડથી વધુ કે ઓછી જોવા મળતી નથી. એવું ચોકસાઈવાળું પરમાણુ-ઘડિયાળ હોય છે.
પરમાણુ-ઘડિયાળ વાસ્તવમાં પરમાણુની ધરા-અવસ્થાના બે અતિસૂક્ષ્મ ઊર્જાસ્તરો, ન્યૂક્લિયર ચુંબકીય ચાકમાત્રા(magnetic moment)ને લીધે અલગ અલગ દેખાય છે, જેને અતિસૂક્ષ્મ (hyperfine) બંધારણ કહે છે. આ બે સ્તરો વચ્ચેની સંક્રાંતિ બે પ્રકારની હોય છે :
(1) નિષ્ક્રિય (passive) (2) સક્રિય (active).
નિષ્ક્રિય પરમાણુ-ઘડિયાળમાં અનુનાદીય આવૃત્તિની તદ્દન નજીક એવી આવૃત્તિ વિદ્યુત-ચુંબકીય ઊર્જા રૂપે ઉત્સર્જિત થાય છે. આથી બે સૂક્ષ્મ સ્તરો વચ્ચે આવૃત્તિઓનો તફાવત નિયંત્રિત કરવા પ્રયુક્તિને ત્રુટિશૂન્ય કરવામાં આવે છે. સ્રોત (source) તરીકે સ્થાયી ક્વાર્ટ્ઝનો ઉપયોગ થાય છે. આ ક્વાર્ટ્ઝ મેગાહર્ટ્ઝ-આવૃત્તિએ કાર્ય કરે છે. એ જ રીતે સક્રિય પરમાણુ-ઘડિયાળમાં પરમાણુમાંથી સ્વયં સંકેત રૂપે આવૃત્તિ ઉત્સર્જિત થાય છે. આ આવૃત્તિનાં દોલનો ઝડપી વિકિરણ રૂપે થાય છે. તે દોલનો ઉત્સર્જિતતાના સિદ્ધાંત પર સ્વયં કાર્ય કરે છે. આ યોજના પરમાણુ-ઘડિયાળમાં હોય છે.
પરમાણુ-ઘડિયાળમાં સૂક્ષ્મ તરંગની આવૃત્તિ નીચી ઊર્જાએ ઉત્પન્ન થાય છે. આથી દોલક તથા આવૃત્તિગુણક બંનેને સાંકળની પદ્ધતિથી સાથે ગોઠવવામાં આવે છે. સક્રિય અને નિષ્ક્રિય પરમાણુ-ઘડિયાળમાં આવૃત્તિનું અધિમિશ્રણ કરવામાં આવે છે.
અન્ય સિદ્ધાંત પરમાણુબિંબ-ઘડિયાળમાં વિકિરણ વિદ્યુત-ચુંબકીય ઊર્જા રૂપે ઉત્સર્જન પામે છે. આ વિકિરણને મેળવવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિમાં ચુંબકને એવી રીતે ગોઠવવામાં આવે છે કે સંક્રાંતિ દરમિયાન ઉત્પન્ન થતાં વિકિરણ દોલિત થાય એ સિદ્ધાંત પર પરમાણુબિંબ-ઘડિયાળ કાર્ય કરે છે.
પરમાણુ-ઘડિયાળમાં ઉત્તેજિત અવસ્થામાં પરમાણુનો સમય એ રેખા-પહોળાઈ(line width)ના સમપ્રમાણમાં અને તેનો વિકિરણ ગુણોત્તર એકમ સમયમાં મેળવીને થતા પરમાણુની સંખ્યાના સમપ્રમાણમાં હોય છે.
ઉત્તમ ગુણવત્તાવાળી પરમાણુ-ઘડિયાળમાં અત્યંત પાતળી રેખા-પહોળાઈ અને ઉચ્ચસંકેતથી વિક્ષેપિત ગુણોત્તર જોવા મળે છે. એક સેકન્ડમાં પરમાણુ-ઘડિયાળમાં પરમાણુની સંખ્યા 106થી 107ના ક્રમની હોય છે. પરમાણુ-ઘડિયાળ મિલી સેકન્ડ (10-3 – સેકન્ડ), માઇક્રો સેકન્ડ (10-6), નૅનો સેકન્ડ (10-9 સેકન્ડ) અને પીકો સેકન્ડ(10-12 સેકન્ડ)ના ક્રમનું સમયમાપન કરી શકે છે. પરમાણુ-ઘડિયાળ વિશેષત: વૈજ્ઞાનિક સંશોધન માટે અવકાશક્ષેત્રે, અણુ-સબમરીન, મિસાઇલ વગેરે ક્ષેત્રે ખૂબ મહત્ત્વનું છે.
પરેશ પંડ્યા