Según los principios básicos de la física cuántica, los átomos absorben o liberan energía electromagnética según la diferencia de energía de diferentes disposiciones de electrones, es decir, la diferencia de energía de las diferentes capas de electrones que rodean el núcleo atómico. Aquí la energía electromagnética es discontinua.
Reloj Atómico de Hidrógeno
Cuando un átomo salta de un "estado de energía" a un "estado de energía" inferior, libera ondas electromagnéticas. Esta frecuencia característica de la onda electromagnética es discontinua, que es lo que la gente llama frecuencia de oscilación. La frecuencia de oscilación del mismo tipo de átomo es cierta y los átomos de hidrógeno se utilizan como metrónomo para mantener el tiempo con gran precisión.
En este tipo de reloj, un haz de átomos en un "estado hiperfino" específico pasa a través de un campo electromagnético oscilante. Cuando la frecuencia de transición hiperfina de los átomos está más cerca de la frecuencia de oscilación del campo magnético, más energía absorben los átomos del campo magnético, lo que resulta en una transición del estado hiperfino original al estado uniforme. A través de un circuito de retroalimentación, se puede ajustar la frecuencia del campo oscilante hasta que todos los átomos hayan completado la transición. El reloj atómico de hidrógeno utiliza la frecuencia del campo oscilante, que es exactamente la misma que la frecuencia de oscilación atómica, como metrónomo para generar pulsos de tiempo.
Las personas necesitan saber la hora exacta en su vida diaria, especialmente en la producción y la investigación científica. Los relojes que la gente usa habitualmente tienen un error de alta precisión de aproximadamente 1 minuto por año. Esto no tiene ningún impacto en la vida diaria, pero en una producción exigente y en investigaciones científicas, se necesitan herramientas de cronometraje más precisas. La herramienta de cronometraje más precisa del mundo es el reloj atómico, que apareció en la década de 1950. Los relojes atómicos de hidrógeno utilizan ondas electromagnéticas emitidas cuando los átomos absorben o liberan energía para mantener el tiempo. Debido a que esta onda electromagnética es muy estable y está controlada por una serie de instrumentos precisos, la sincronización del reloj atómico de hidrógeno puede ser muy precisa. Los elementos utilizados en los relojes atómicos incluyen hidrógeno (Hactare), cesio (Seterium), rubidio (Russium), etc. La precisión de un reloj atómico de hidrógeno es de sólo 1 segundo cada 1 millón de años. Esto proporciona una sólida garantía para la astronomía, la navegación y la navegación espacial.
Un reloj atómico general consta de unos 170 componentes, entre ellos lentes, espejos y láseres. El tubo central tiene 1,70 metros de altura y en él los átomos de hidrógeno se mueven hacia arriba y hacia abajo, emitiendo "señales" extremadamente regulares.