# 钍-229 核钟

拉普拉斯的迷你世界 · 图版 F54 · 能源、航天与探测 · 计时

> 钍-229 的原子核里，有一级低得出奇的能级。2024 年，激光第一次把它激发起来，它的频率随即和锶原子钟连上；2026 年，第一批核钟开始运行。

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- 更新于：2026-10-27

## 01 原子核的频率

2024 年 9 月，美国 JILA 和维也纳工业大学等团队发表了一个数：2 020 407 384 335 千⁠赫，误差 2 千⁠赫。这是钍-229 的原子核从基态跳到它的同质异能态时，吸收的光的频率；这些钍核嵌在氟化钙晶体里，冷到 150 开。

这个频率不是单独量的：它和同一研究所的锶光晶格钟直接比，两者之比是 4.707 072 615 078，最后一位上有 5 的误差。几个月前，这条谱线第一次被激光找到时，误差是 7 吉⁠赫；这一次小了约六个数量级。

2 千⁠赫比上约 2 千万亿赫，约是 10⁻¹²。这是统计误差，论文写明，系统误差留待以后研究。台上后面是产生真空紫外光的增强腔，右边是装着晶体的真空腔，前面玻璃罩里是放大的钍-229 原子核。

*钍核：2 020 407 384 335 ± 2 千⁠赫 · 钍 / 锶 = 4.707 072 615 078(5) · 约 10⁻¹²（统计）*

## 02 为什么是原子核

钟需要一个摆，每摆一次的时间都一样。光学原子钟的摆，是原子外层电子在两个能级之间的跃迁。电子云比原子核大得多，外面的电场、磁场和热辐射都推得动它一点；最好的锶钟，要把这些挪动一项项算出来再扣掉。

钍-229 原子核的电荷半径约 5.76 飞⁠米，钍原子的半径约 2 埃，相差三四万倍。原子核的磁矩也小，约 0.36 核⁠磁⁠子，是一个玻尔磁子的五千分之一左右。研究者的说法是：原子核比原子小得多，也难极化得多，外电场和场梯度对它的影响可以预期小得多。

这只是一半。在晶体里，原子核仍然感觉得到周围离子的电场梯度，也跟着晶体的温度变，后面会看到。玻璃罩里的原子核放大了约 4 × 10¹² 倍；照这个比例，整个原子约有两千米宽。

*电荷半径 5.76 飞⁠米 · 原子半径约 2 埃 · 核磁矩约 0.36 核⁠磁⁠子*

## 03 低得出奇的一级

原子核的激发态一般要几千到上百万电子伏，放出的是伽马射线，没有激光能达到这样的频率。锶钟用的光子只有约 1.78 电⁠子⁠伏。

钍-229 是例外。它的第一个激发态叫同质异能态，只比基态高约 8.36 电⁠子⁠伏，对应 148.4 纳⁠米的真空紫外光，每秒振荡约 2.02 × 10¹⁵ 次。已知的十七万六千多个原子核激发态里，低于 100 电⁠子⁠伏的只有两个；另一个是铀-235 的 76.7 电⁠子⁠伏，它几乎不放光，用不上激光。

148 纳⁠米的光在空气里传不远，会被吸收，所以整条光路都抽成真空，透镜和窗口用氟化镁这样的晶体。装着钍的氟化钙晶体，也能透过这段光。

*钍-229m：8.356 电⁠子⁠伏 · 148.38 纳⁠米 · 锶钟光子 1.775 电⁠子⁠伏 · 一般的核跃迁 0.1⁠–⁠1 兆⁠电⁠子⁠伏*

## 04 找了近五十年

1976 年，研究者在铀-233 衰变放出的伽马射线里，第一次看出钍-229 有一个很低的激发态，只知道低于 100 电⁠子⁠伏。1994 年的间接测量给出 3.5 ± 1.0 电⁠子⁠伏。2003 年，德国联邦物理技术研究院的两位物理学家提出：可以拿它做一台钟。

2007 年的测量把能量推到 7.6 ± 0.5 电⁠子⁠伏，要找的光一下子变成了真空紫外。2016 年，慕尼黑大学靠它在中性原子里放出的电子，第一次直接看到这个态；2019 年测出 8.28 ± 0.17 电⁠子⁠伏；2023 年，欧洲核子研究中心的 ISOLDE 第一次看到它放出的光：8.338 ± 0.024 电⁠子⁠伏，148.71 纳⁠米。

误差从 1 电⁠子⁠伏缩到了 0.024 电⁠子⁠伏，对激光来说仍然太宽：0.024 电⁠子⁠伏约合 5.8 万亿赫，只能一步一步扫过去。

*1994：3.5 · 2007：7.6 · 2019：8.28 · 2020：8.10 · 2023：8.338 · 2024：8.3557 电⁠子⁠伏*

## 05 剖开：晶体腔

在中性钍原子里，这个激发态的半衰期只有约 7 微秒：能量交给一个外层电子，把它打出去。钍的第一电离能只有 6.31 电⁠子⁠伏，比 8.36 小。把钍变成离子，嵌进氟化钙这样带隙很宽的晶体，电子拿不走这份能量，原子核只能放出一个光子。

JILA 用的晶体，是从维也纳长出的一根晶锭上切下的一小块：1.8 × 0.7 × 1.4 毫⁠米，每立方厘米约 5 × 10¹⁸ 个钍-229 原子核。液氮把它冷到 150 开，它固定在一面抛物面镜的焦点上；镜子把它发出的光变成平行光，经几片多层膜滤光片，送到光电倍增管去一个一个数。

在晶体里，同质异能态的寿命约 640 秒。所以实验先照、后数：照 400 秒，关掉光，再数 200 秒的光子。台上的这一轮放快了几十倍；右上是 2026 年清华大学团队测到的一条衰减曲线。

*1.8 × 0.7 × 1.4 毫⁠米 · 5 × 10¹⁸ 个 / 立方厘米 · 150 开 · 晶体中寿命 641 ± 4 秒*

## 06 第一次打中

第一次用激光激发它的，是德国联邦物理技术研究院和维也纳工业大学：2023 年 11 月 21 日看到信号，2024 年 4 月 29 日发表。真空紫外光来自一套台式激光：两台连续钛宝石激光，经染料放大和三倍频，再在氙气里四波混频，每秒 30 个脉冲，线宽不超过 10 吉⁠赫。

晶体每次照 120 秒，再用光电倍增管数 150 秒的光。从 148.2 到 150.3 纳⁠米扫了约 20 轮、每轮约 50 步，在 148.38 纳⁠米处看到一个峰。峰的位置是 2020.409 ± 0.007 太⁠赫，即 148.3821 纳⁠米。

换一块掺钍-232 的晶体，长法相同，钍含量更高，在那里扫过 1 太⁠赫，什么也没有：光确实来自钍-229 的原子核。晶体里的寿命测得 630 ± 15 秒。

*2020.409 ± 0.007 太⁠赫 · 148.3821 ± 0.0005 纳⁠米 · 8.35574 电⁠子⁠伏*

## 07 真空紫外频率梳

要把频率量到千赫，光不能是 10 吉⁠赫宽的脉冲，得是一排排得极整齐的细谱线：频率梳（光晶格钟一页讲过它怎样数光的振荡）。148 纳⁠米没有现成的梳，JILA 把一把红外梳的频率乘以 7。

红外梳是掺镱的光纤激光，中心 1038 纳⁠米，每秒 7,500 万个脉冲，放大到 40⁠–⁠50 瓦，送进一个增强腔：脉冲在几面镜子之间绕圈，一圈圈叠加到 5⁠–⁠7 千⁠瓦。两面凹面镜把它聚到一股氙气上，焦点处约 10¹³ 瓦每平方厘米，氙原子发出高次谐波（阿秒光脉冲一页讲过这个过程），第 7 次正好在 148.4 纳⁠米。

一块掠入射的薄片把谐波从腔里引出来，约一半能出来。打到晶体上的约 200 微⁠瓦，分在约 18 万根梳齿上，每根约 1 纳⁠瓦。

*1038 纳⁠米 ÷ 7 ≈ 148.4 纳⁠米 · 75 兆⁠赫 · 腔内 5⁠–⁠7 千⁠瓦 · 每根梳齿约 1 纳⁠瓦*

## 08 接上锶钟

梳齿的间距和起点都在射频，电子学数得出来。JILA 把红外梳的一根齿锁在锶光晶格钟的 698 纳⁠米激光上，于是第 7 次谐波里每一根齿的频率，也都由锶钟定下。

谐波里的齿，编号约 2.7 × 10⁷。把重复频率改动约 2.8 赫，乘上这个大编号，第 N 根齿就挪到原来第 N + 1 根的位置：整排齿扫过一个间隔，谱的包络不动。每一步照 400 秒、数 200 秒，步长 240 千⁠赫。

找到谱线后，再用三个编号不同的齿去打同一条线：只有一种编号让三次结果对得上，相差 10 千⁠赫；编号错一个，差就大一个数量级。最后报出的是两者的比值，4.707 072 615 078。

*锶钟 429 228 004 229 872.99 赫 · 乘以 4.707 072 615 078 · 约为 2 020 407 384 335 千⁠赫*

## 09 一条线分成五条

扫出来的不是一条线。钍-229 的原子核带电四极矩，电荷不是球对称分布的；嵌在氟化钙里，周围的离子和多出来的氟离子在它那里造出很强的电场梯度。于是自旋 5/2 的基态和自旋 3/2 的激发态，各自分裂成几层。

允许的跃迁有五条，铺开约 410 兆⁠赫。四条强的，线心测到约 4 千⁠赫；第五条只有最强那条的十分之一，先用求和规则算出它该在哪，再去扫，果然在那里。

每条线宽约 300 千⁠赫，论文认为多半是梳齿本身的宽度。把四条强线按 1 : 2 : 2 : 1 平均，电场梯度的影响就抵消了，得到前面那个未分裂的频率。两个态的四极矩之比也随之得出：0.570 03。

*五条线 a–e · 铺开约 410 兆⁠赫 · 线宽约 300 千⁠赫 · 四极矩之比 0.570 03*

## 10 第一批核钟

2024 年的测量，是用锶钟去量钍核，激光并不听原子核的。做成钟要反过来：让激光一直锁在核跃迁上，由原子核来纠正它。这需要连续、线宽很窄的 148 纳⁠米激光，2024 年还没有。

2026 年，这样的光源有了。2 月，清华大学报道了在镉蒸气里四波混频的连续光源，功率超过 100 纳⁠瓦，线宽预计远低于 100 赫；9 月，维也纳的团队用不到 1 纳⁠瓦的连续光，第一次在吸收里看到核跃迁，不用再等十分钟的荧光。

10 月 7 日，《自然》同一期刊出两台核钟。维也纳工业大学和德国联邦物理技术研究院的一台，频率不稳定度 3 × 10⁻¹²/√τ，可以一整天无人照看；清华大学团队的一台是 5 × 10⁻¹³/√τ，两块分别长出的晶体相差约 10⁻¹³。两台的晶体都在室温。

*2026 年 10 月 · 3 × 10⁻¹²/√τ（维也纳 / PTB）· 5 × 10⁻¹³/√τ（清华）· τ 以秒计*

## 11 常数会变吗

精细结构常数 α 约等于 1/137，决定电磁力有多强。有些理论允许它随时间极慢地变化。几种原子钟长期互相比较，至今没有发现变化：2021 年的限制是每年 (1.0 ± 1.1) × 10⁻¹⁸。

灵敏度用 K 表示：α 变化一个比例，钟的频率变化 K 倍的比例。对钍-229，K 等于两个态的库仑能之差除以跃迁能量。两个态的库仑能都在十亿电子伏量级，差不多相等；按 2025 年的估计，K 约为 5,900，误差 2,300，取决于原子核模型。最灵敏的原子钟跃迁，K 约为 6。

2026 年，维也纳的核钟和一台镱离子钟对比，两者频率比的漂移是每天 (2 ± 4) × 10⁻¹⁴，与零相符。它对 α 的限制，和最好的同类原子钟实验相当。

*δν / ν = K · δα / α · 钍-229：K ≈ 5,900 ± 2,300（模型估计）· 最灵敏的原子钟跃迁：约 6*

## 12 还差多远

光学原子钟的系统误差已经到了 10⁻¹⁹ 量级：JILA 的锶钟 2024 年是 8.1 × 10⁻¹⁹，NIST 的铝离子钟 2025 年是 5.5 × 10⁻¹⁹。核钟离这还远：两块晶体之间频率的复现性约 1.1 × 10⁻¹³（JILA，2026 年 1 月）。维也纳团队写道，核钟的频率不稳定度还没有达到最好的原子钟的水平。

晶体也有代价。谱线随温度移动：150 到 293 开之间，最稳的 b 线只移了约 62 千⁠赫，约每开 0.4 千⁠赫，其余几条移了约 2 兆⁠赫。要做到 10⁻¹⁸，晶体温度得稳在 5 微⁠开以内。JILA 后来发现，在约 196 开，频率对温度的一阶灵敏度为零；右上是他们公开的 b 线记录。

还有别的路：微克级的氟化钍薄膜，2024 年底已在里面激发成功，放射性最多可比掺杂晶体小约三个数量级；离子阱里的单个钍离子，2012 年有人估算能接近 10⁻¹⁹。这是预测，还没有实现。

*锶钟系统误差 8.1 × 10⁻¹⁹ · 核钟复现性约 1.1 × 10⁻¹³ · b 线约 0.4 千⁠赫 / 开*

## 13 拆开来看

台子拆成几件。右边晶体腔：顶上的液氮杜瓦和冷指，铜夹和晶体，抛物面镜和两片滤光镜，挡住光束的 Ce:YAG 板，滤光块上的光电倍增管。后面增强腔：盖子、氙气喷嘴、环形腔的镜子、引出谐波的薄片和转向镜。

晶体只有 1.8 毫⁠米长，夹在两片铜片之间；冷指和铜编织带把它连到杜瓦上。抛物面镜在晶体正下方，光束从它上方水平穿过。

各件的大小按常见的实验室零件画（CF 法兰、1 英寸光学元件），布局是示意；论文没有给出装置的图纸。

*杜瓦 · 光电倍增管 · 晶体和铜夹 · 抛物面镜 · Ce:YAG 板 · 盖子 · 喷嘴 · 环形镜 · 引出片*

## 14 实验台：一根梳齿

拉杆选一条谱线，滑块把梳齿放在这条线 150 开线心的左右各 1.2 兆⁠赫以内。每按一次“照射”，就从头做一轮：照一阵，关光，数荧光，结果是右上图里的一个点。

晶体温度可以选 150、229、293 开，线的位置取自论文的测量。升到 293 开，b 线只挪约 60 千⁠赫，还在窗口里；a、c、d 挪了约 2 兆⁠赫，跑出了窗口。e 线只在 150 开测过。

这是模型：线形取高斯形，半高宽 310 千⁠赫；四条强线画成一样高，e 线是它们的十分之一；荧光是相对值，加了一点计数噪声。

*读数：离线心 · 荧光（相对）*

**试一试**：把晶体从 150 开升到 293 开，哪条谱线几乎不动？其余几条挪了多远，还在梳齿扫的窗口里吗？

## 模型省略了什么

台上的装置按论文的文字描述画成示意：增强腔、氙气喷嘴、掠入射引出片、转向立方、闸板阀、晶体腔、抛物面镜、滤光镜、光电倍增管和液氮杜瓦都有，但大小按常见的实验室零件定，位置和数量不是论文的；增强腔里只画了四面环形镜。晶体的大小按论文，1.8 × 0.7 × 1.4 毫⁠米。原子核放大约 4 × 10¹² 倍，质子和中子画成一个个硬球；真实的核子没有这样清楚的边界和固定的位置。真空紫外光和红外光肉眼看不见：台上紫色和红色的光线、晶体的紫色辉光、飞向光电倍增管的光点都是画出来的；只有 Ce:YAG 板被打中时的黄绿色光是可见光。实验的一轮照 400 秒、数 200 秒，台上放快了几十倍。

## 几个容易误会的地方

核钟不靠放射性衰变计时：钍-229 本身有放射性，半衰期约 7,900 年，但钟数的是激光的振荡，原子核用来校准激光。2024 年的实验还不是钟：一项第一次用激光激发了这条谱线，另一项把它的频率和锶钟比了一次；能自己运行的核钟出现在 2026 年，现在还没有最好的原子钟稳。“约 10⁻¹²”说的是谱线中心的统计误差，不是钟的准确度。同质异能态在晶体里的寿命约 10 分⁠钟；常见的 1,740 秒是推算出的真空中裸核的半衰期。原子核并不对外界免疫：在晶体里，谱线会分裂，会随温度移动。α 的变化至今没有被发现。这也不是激光第一次激发原子核：更早已有激光等离子体和 X 射线自由电子激光的例子；2024 年是第一次用台式激光激发钍-229。

## 常见问题

### 钍-229 的核跃迁有什么特别？

它的第一个激发态叫同质异能态，只比基态高约 8.36 电⁠子⁠伏，对应 148.4 纳⁠米的真空紫外光，每秒振荡约 2.02 × 10¹⁵ 次。

见：[03 低得出奇的一级](https://world.lapla.si/zh/nuclearclock/#kev)

### 为什么原子核可以做更稳的钟？

钍-229 原子核的电荷半径约 5.76 飞⁠米，钍原子的半径约 2 埃，相差三四万倍。

见：[02 为什么是原子核](https://world.lapla.si/zh/nuclearclock/#pendulum)

### 钍-229 核跃迁的频率是多少？

2024 年 9 月，美国 JILA 和维也纳工业大学等团队发表了一个数：2 020 407 384 335 千⁠赫，误差 2 千⁠赫。

见：[01 原子核的频率](https://world.lapla.si/zh/nuclearclock/#now)

### 钍-229 原子核第一次被激光激发是什么时候？

第一次用激光激发它的，是德国联邦物理技术研究院和维也纳工业大学：2023 年 11 月 21 日看到信号，2024 年 4 月 29 日发表。

见：[06 第一次打中](https://world.lapla.si/zh/nuclearclock/#laser)

### 核钟已经比原子钟更准了吗？

维也纳团队写道，核钟的频率不稳定度还没有达到最好的原子钟的水平。

见：[12 还差多远](https://world.lapla.si/zh/nuclearclock/#limits)

## 资料来源

1. [Tiedau 等（2024）：Laser Excitation of the Th-229 Nucleus，Physical Review Letters 132, 182501](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.182501)
2. [Elwell 等（2024）：Laser excitation of the ²²⁹Th nuclear isomeric transition in a solid-state host，Physical Review Letters 133, 013201](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.013201)
3. [Zhang 等（2024）：Frequency ratio of the ²²⁹ᵐTh nuclear isomeric transition and the ⁸⁷Sr atomic clock，Nature 633, 63⁠–⁠70（预印本 arXiv:2406.18719）](https://doi.org/10.1038/s41586-024-07839-6)
4. [Zhang 等（2024）：²²⁹ThF₄ thin films for solid-state nuclear clocks，Nature 636, 603⁠–⁠608](https://doi.org/10.1038/s41586-024-08256-5)
5. [Higgins 等（2025）：Temperature Sensitivity of a Thorium-229 Solid-State Nuclear Clock，Physical Review Letters 134, 113801](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.113801)
6. [Beeks 等（2025）：Fine-structure constant sensitivity of the Th-229 nuclear clock transition，Nature Communications 16, 9147](https://doi.org/10.1038/s41467-025-64191-7)
7. [Ooi 等（2026）：Frequency reproducibility of solid-state thorium-229 nuclear clocks，Nature 650, 72⁠–⁠78](https://doi.org/10.1038/s41586-025-09999-5)
8. [Xiao 等（2026）：Continuous-wave narrow-linewidth vacuum ultraviolet laser source，Nature 650, 852⁠–⁠856](https://doi.org/10.1038/s41586-026-10107-4)
9. [Morawetz 等（2026）：Continuous-wave laser absorption spectroscopy of the thorium-229 nucleus，Nature 657, 626⁠–⁠631](https://doi.org/10.1038/s41586-026-11011-7)
10. [Toscani De Col 等（2026）：A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop，Nature 658, 897⁠–⁠902](https://doi.org/10.1038/s41586-026-11084-4)
11. [Huang 等（2026）：A nuclear clock synchronized to ²²⁹Th，Nature 658, 903⁠–⁠908](https://doi.org/10.1038/s41586-026-11122-1)
12. [Peik、Tamm（2003）：Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in Th-229，Europhysics Letters 61, 181](https://doi.org/10.1209/epl/i2003-00210-x)
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27. [Marshall 等（2025）：High-Stability Single-Ion Clock with 5.5 × 10⁻¹⁹ Systematic Uncertainty，Physical Review Letters 135, 033201](https://doi.org/10.1103/hb3c-dk28)
28. [Lange 等（2021）：Improved Limits for Violations of Local Position Invariance from Atomic Clock Comparisons，Physical Review Letters 126, 011102](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.011102)
29. [Ponce 等（2018）：Accurate measurement of the first excited nuclear state in ²³⁵U，Physical Review C 97, 054310](https://doi.org/10.1103/PhysRevC.97.054310)
30. [Angeli、Marinova（2013）：Table of experimental nuclear ground state charge radii: An update，Atomic Data and Nuclear Data Tables 99, 69（经 IAEA LiveChart）](https://doi.org/10.1016/j.adt.2011.12.006)
31. [BIPM：Recommended values of standard frequencies, Strontium 87 atom（f ≈ 429 THz）](https://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/standard-frequencies)
32. [NIST 新闻（2024-09-04）：Major Leap for Nuclear Clock Paves Way for Ultraprecise Timekeeping](https://www.nist.gov/news-events/news/2024/09/major-leap-nuclear-clock-paves-way-ultraprecise-timekeeping)
33. [德国联邦物理技术研究院新闻（2024-04-29）：Laser excitation of a nucleus（经 idw）](https://idw-online.de/de/news832731)
34. [数据：Ooi 等，Th-229 nuclear clock frequency record (JILA)，Zenodo，CC BY 4.0](https://doi.org/10.5281/zenodo.15751158)
35. [数据：Huang 等，Data supporting “A nuclear clock synchronized to ²²⁹Th”，figshare，CC BY 4.0](https://doi.org/10.6084/m9.figshare.33386191)

## 数据

The apparatus is a schematic drawn from the descriptions in Zhang et al., Nature 633, 63 (2024) (a Yb-fibre comb, a femtosecond enhancement cavity with a xenon jet, a grazing-incidence out-coupler, a ²²⁹Th:CaF₂ crystal at the focus of a parabolic mirror cooled by a liquid-nitrogen dewar, multilayer filters, a photomultiplier, a Ce:YAG plate). The papers give no drawings to this detail: parts are sized like common laboratory hardware (CF flanges, 1-inch optics, 12.7 mm posts) and placed for the model. The crystal is drawn at its published size, 1.8 × 0.7 × 1.4 mm. The nucleus is drawn as 90 protons and 139 neutrons, about 4 × 10¹² times its size. Fluorescence decay in the crystal chapter: Huang et al., Nature 658, 903 (2026), Fig. 2f, data on figshare (10.6084/m9.figshare.33386191), CC BY 4.0, binned to 60 s by this page. Line b against temperature in the limits chapter: T. Ooi, J. F. Doyle, C. Zhang, J. Higgins, J. Ye, K. Beeks, T. Sikorsky, T. Schumm, “Th-229 nuclear clock frequency record (JILA)”, Zenodo (10.5281/zenodo.15751158), CC BY 4.0, averaged per crystal and temperature by this page (docs/plates/nuclearclock/tools/make-data.py). The laboratory is this page’s model (src/topics/nuclearclock/science.js): line positions at 150, 229 and 293 K from Zhang et al. 2024 (Fig. 5) and Higgins et al. 2025 (Table 1), a Gaussian line 310 kHz wide, line e a tenth as strong, and a little counting noise. Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).

## 许可 CC BY-NC 4.0

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## 引用这幅图版

拉普拉斯的迷你世界，图版 F54《钍-229 核钟》，https://world.lapla.si/zh/nuclearclock/，CC BY-NC 4.0，2026-10-27 更新。