"Porque así es como se define el segundo" está bien, pero eso nos lleva inmediatamente a la pregunta "¿por qué el cesio se convirtió en el estándar"?

Para responder eso, tenemos que mirar el principio de un reloj atómico: miras la frecuencia de la transición hiperfina, una división de niveles de energía causada por el campo magnético del núcleo. Para que esto funcione necesitas:

• un átomo que puede vaporizarse fácilmente a baja temperatura (en los sólidos, el principio de exclusión de Pauli provoca el ensanchamiento de la línea; en los gases calientes, entra en juego el ensanchamiento Doppler)
• un átomo con un campo magnético (para la interacción electrón - campo): número impar de protones/neutrones
• un átomo con solo un isótopo estable (para que no tenga que purificarlo y no obtenga múltiples líneas)
• una alta frecuencia para la transición (medición más precisa en menos tiempo)

Cuando coloca todos los posibles elementos candidatos en esta tabla, encuentra que Cs-133 es su principal candidato. Lo que lo convirtió en el elemento preferido; luego el estándar; y ahora, prácticamente el único usado.

Encontré gran parte de esta información en http://www.thenakedscientists.com/forum/index.php?topic=12732.0

La elección del cesio se debe a varios factores. Vale la pena señalar que su afirmación "Los relojes atómicos modernos solo usan átomos de cesio" es simplemente falsa. Como mínimo, los relojes de rubidio e hidrógeno son comunes, y puede obtener estándares de rubidio en eBay por menos de $ 200. Pero el mejor rendimiento proviene del uso de cesio. En parte, esto se debe a que se eligió como estándar y, como tal, se considera más útil invertir el esfuerzo de desarrollo en mejorar el estándar en lugar de una alternativa.

Pero, ¿por qué se eligió el cesio? Varios factores:

1. A temperaturas razonables, el cesio tiene una presión de vapor alta, lo que hace que los efectos de resonancia sean relativamente fáciles de observar.

2. Gran transición hiperfina, creando una mejor Q del resonador resultante.

3. A diferencia del rubidio, el cesio solo tiene un isótopo estable, por lo que obtener un gas realmente puro es mucho más fácil. No requiere separación isotópica.

EDITAR: PlasmaHH ha comentado sobre la estabilidad de frecuencia superior del hidrógeno sobre el cesio. Si bien esto es cierto, el cesio muestra una mejor precisión intrínseca (alrededor de 2 órdenes de magnitud) y ningún efecto de envejecimiento, donde el hidrógeno envejece. La combinación hace que el cesio sea un mejor estándar, ya que un estándar no tiene una referencia contra la cual verificar para calibrar las desviaciones. Consulte http://www.chronos.co.uk/files/pdfs/itsf/2007/workshop/ITSF_workshop_Prim_Ref_Clocks_Garvey_2007.pdf para obtener una discusión de un fabricante.

Como menciona WhatRoughBeast, el cesio ofrece varias ventajas sobre otros estándares de microondas. Su característica más importante es la presencia de una transición atómica con un ancho de línea muy pequeño. Esto permite establecer con mucha precisión la energía de esta transición (ver el principio de incertidumbre ).

Sin embargo, el cesio no es el único átomo con una transición estrecha. Por ejemplo, los iones Yb+ tienen una transición octupolar de nHz de ancho : un átomo excitado a este estado duraría varios años antes de desintegrarse. Esto, en principio, permitiría determinar muy bien la frecuencia de la transición.

Entonces, ¿por qué los relojes atómicos solo usan cesio? Bien...

ellos no

El segundo moderno se define en términos de la transición hiperfina Cs, por lo que, por supuesto, ningún otro reloj puede ser tan preciso como el cesio, puramente por definición. Pero en el campo de los relojes atómicos, la palabra "preciso" adquiere un significado específico.

Frecuentemente en física, nos referimos a exactitud y precisión. La precisión de algo es qué tan bien concuerda su promedio con el valor "correcto", mientras que la precisión es qué tan dispersos están los resultados. Vea la imagen a continuación.

Para los relojes atómicos, las cantidades relevantes son la precisión y la estabilidad. Aquí, la precisión se refiere a qué tan bien el reloj realiza el segundo SI y la estabilidad se refiere a qué tan rápido lo hace. La (in)estabilidad de un reloj ocurre porque todas las medidas tienen algo de ruido estadístico: solo después de muchas medidas obtienes la respuesta correcta, y la estabilidad te dice cuántas medidas necesitas hacer.

Representaciones secundarias del segundo SI

Entonces, si el segundo está definido por el cesio, ¿por qué dije que no todos los relojes lo usan?

El Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM) en 2012 adoptó 8 representaciones secundarias de la segunda SI . 7 de estos son relojes ópticos que ofrecen muchas ventajas sobre una fuente de cesio (conocido como estándar de microondas).

Para saber qué tan bueno es un reloj, debe compararlo con otro reloj, de lo contrario, ¡no tiene referencia! Las mejores fuentes modernas de cesio concuerdan entre sí en aproximadamente$\frac{\Delta \nu}{\nu} \approx 10^{-16}$. Los relojes atómicos ópticos modernos, como los relojes de iones de iterbio o los relojes de celosía de estroncio, pueden exhibir acuerdos que se aproximan$\frac{\Delta \nu}{\nu} \approx 10^{-18}$: eso es 100 veces mejor! Además, los relojes ópticos siguen mejorando rápidamente. Parece que, muy pronto, los mejores relojes ópticos superarán a los relojes de microondas en muchos órdenes de magnitud. Consulte este artículo en Nature para obtener más información.

Estos relojes funcionan mediante transiciones que utilizan frecuencias visibles, a diferencia de las frecuencias de microondas utilizadas en los relojes Cs. Entonces, aunque Cs sigue siendo la definición del segundo, los relojes ópticos modernos ofrecen un rendimiento mucho mejor y se espera que pronto reemplacen al cesio como estándar.

El siguiente gráfico muestra el rendimiento de los relojes atómicos a lo largo del tiempo. Los puntos rojos representan los puntos en los que los relojes ópticos funcionan mejor que los relojes de cesio. Es importante notar que las fuentes de cesio han experimentado mejoras de 5 órdenes de magnitud en los últimos 40 años: ¡no es poca cosa!

Porque un segundo se define como (del folleto SI ):

la duración de 9192631770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio -133,${}^{133}\mathrm{Cs}$.

Por lo tanto, usar cualquier otro átomo es irrelevante (incluso si se calcula algún factor de tiempo de corrección).

Como han dicho otros usuarios, tiene un isótopo estable, así que está bien.

También es el estándar SI. Definimos el segundo por Cesio . Específicamente:

El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

Entonces, si tuviéramos que usar otro átomo, no sería tan preciso. Incluso si calculáramos cuántos períodos de otra sustancia se necesitaron para igualar un segundo, incluso si solo fuera por un factor de 10 ^-12 , aún no sería tan preciso como el sistema que estamos usando hoy.