世界上萬物不離其宗，一切物質都是由元素組成的，而元素的基本單位是原子。例如水分子就是由兩個氫原子和一個氧原子結合而成的。原子的直徑範圍在10-8厘米左右，而原子又是可分的，它是由電子和原子核組成。可是原子的內部結構是怎麼樣呢？
原子雖然很小，但它內部卻是一個複雜的世界。每個原子都有一個原子核，核外分層排列著高速運轉的電子。電子不斷地圍繞著原子核做旋轉運動，有時在離核較近的地方運轉，有時則在離核較遠的地方運轉。由於電子繞核旋轉的狀態不同，我們就說原子處於不同的狀態。在每一狀態下，原子具有一定的內部能量，但原子狀態的變化是不連續的，這些不連續的能量稱為能級。
原子可以自發地從高能級躍遷到低能級，同時輻射一個電磁量子，這種躍遷叫作自發躍遷；原子也可以在受到X光、可見光或其他種類的電磁輻射激發時，從一個低能級躍遷到一個高能級，並吸收一個電磁量子，或者從高能級躍遷到低能級，同時輻射一個電磁量子，這種躍遷叫作受激躍遷。不同能級之間的躍遷產生不同振蕩頻率的電磁波。若使原子在某兩個固定的能級之間躍遷，那麼電磁波的振蕩頻率是極為穩定的。於是人們像製造擺鍾那樣，把原子套到時鍾上，利用它的振蕩做出了原子鍾。
學過化學的人都知道，氫是最簡單的元素，它隻有一個電子圍繞著原子核轉動，電子很容易激發躍遷，發射比較單純的無線電波，用它發出的波做成的鍾應該是最準的鍾。可惜這隻是理論，實際上卻很難做到。人們雖然研製出氫鍾，但不能作為時間標準用，隻能說它是一種較好的鍾。它的優點是在短時間裏（如從幾十秒到幾小時）能保持極準確和穩定的時間。它的誤差是每秒鍾之間的變化能小到一億億分之幾，沒有任何其他鍾能比它好。20世紀70年代初我國就製造出了氫鍾，現在上海天文台及陝西天文台使用。
既然最簡單的氫原子和很複雜的銫原子都能被來做鍾，那麼其他一些元素是否也可用來做呢？當然是可以的。已經試驗過許多種元素了。如利用銣、鉈、鎂等的原子發出的電波來做鍾。也有利用離子來做鍾的，或用激光做“光子鍾”的。但應用最廣的是銣原子鍾。它在短時間裏很準確，根據紫金山天文台使用的情況看，一天差百萬分之一二秒。但使用時間一長，變化就較大。不過銣原子鍾很小，隻有書包那麼大，用電很省，價錢也是所有原子鍾最便宜的，所以很受大家歡迎。原子鍾的產生和發展，不僅是人類對物界向縱深認識的產物，也是人類實踐活動向高速以及向微觀和宏觀不斷擴展的需要。
高度穩定的秒長帶來高度精確的均勻時間和標準頻率，在電子工業、通信、精密測距、人造衛星和導彈的發射與跟蹤中都得到廣泛應用。人們對原子鍾的研究還在繼續深入，近年來已提出一些進一步提高原子鍾精確度和穩定度的方法，並有了一些進展。科學家預計，隨著原子鍾技術的不斷完善和發展，必將大大推動精密測距和控製技術，以及高速信息技術的發展，對人類的生活產生巨大而深遠的影響。
趣聞逸事
比原子鍾更好的標準鍾
當前世界上最好的原子鍾一天的誤差隻有百億分之一秒，相當於這架原子鍾連續走300年誤差僅一秒。但是我們不能指望人造的原子鍾能穩定地走上300年，現有的原子鍾走上一段時間就不能保持原有的精確度了，而且隨著時間的推移，原子鍾的走時誤差會逐漸增大。這種變化的速率約為每天百億分之一秒到千億分之一秒。於是人們在尋找一種比原子鍾走得更穩定的計時標準來校正原子鍾，就像以地球自轉校正機械鍾那樣。
不久，人們在浩瀚的宇宙中果然找到了一種新型的天空標準鍾，這就是脈衝星。脈衝星是20世紀0年代天文學四大發現之一，脈衝星的名字是由它的脈動的射電輻射特性而得來的。它具有十分穩定的周期。我們知道天文上周期性現象是常見的，每個天體都有自轉的周期現象，但像脈衝星如此短而準確的周期現象，人們還是第一次遇到。這一不可思議的發現就如同打開了一扇閘門，促使許多天文學家投入探索脈衝星的洪流中。被觀測到的大多數脈衝星的脈衝周期在0.03～4.3秒的範圍之內，周期極為穩定，增長的速度每天大約僅為億分之一秒到百億分之一秒，顯然比原子鍾的守時性能更佳。