요약
빈과 베이징의 두 연구팀이 토륨-229 원자핵의 떨림을 세는 첫 원자핵 시계를 각각 만들었습니다.
뉴욕타임스가 학술지 네이처에 함께 실린 두 연구를 소개한 기사입니다. 원자시계가 전자의 진동을 센다면, 원자핵 시계는 레이저를 받은 원자핵이 모양을 바꾸는 횟수를 셉니다.
왜 중요한가
- 언젠가 최고 수준의 원자시계보다 안정적이고, 들고 다니기도 쉬운 시계가 될 수 있습니다.
- 암흑물질 입자가 원자핵을 지나가면 시계의 박자가 흔들릴 수 있어서, 암흑물질을 찾는 새 도구로도 주목받습니다.
핵심 내용
- 두 시계는 수백만 년에 1초쯤 틀리는 수준입니다. 베이징 시계가 조금 더 정확해서 6,500만 년 동안 2초쯤 틀립니다.
- 최고의 원자시계는 이보다 1만 배쯤 안정적이어서, GPS와 1초의 정의를 맡은 원자시계를 당장 대신하지는 못합니다.
- 토륨-229는 적은 에너지로 모양이 바뀌는 유일한 원자핵이라, 148나노미터 자외선 레이저로 진동시킬 수 있습니다.
- 토륨-229는 무기급 우라늄이 붕괴할 때만 얻을 수 있어서, 베이징팀은 1마이크로그램만으로 실험했습니다.
- 베이징팀은 가열한 카드뮴 기체로 강한 레이저를 새로 만들었고, 빈팀은 토륨이 많이 든 결정을 확보해 약점을 메웠습니다.
HN 반응
- 정확도를 어떻게 쟀느냐는 질문에는 빈은 상용 이온 광시계, 베이징은 표준시에 맞춘 수소 메이저(마이크로파 원자시계)와 비교했다는 답이 나왔습니다.
- 원자핵은 주변 전자기 잡음에 덜 흔들려 복잡한 이온 가두기 장치가 필요 없다는 기대와, 토륨-229가 비싸고 귀하다는 한계가 함께 거론됐습니다.
위키백과에 따르면 토륨은 아마 중성자별이나 초신성에서 만들어지는 것 같고, 그래서 은하에서 가장 희귀한 원소 중 하나입니다. 그런데 지구에는 꽤 풍부해서, 지각에는 우라늄의 3배쯤 있는 모양입니다. 이렇게 풍부하다 보니 토륨은 라돈과 함께 지구의 자연 배경 방사선을 이루는 주된 성분입니다.
철은 지속적인 핵융합 과정으로 만들어질 수 있는 마지막 원소입니다. 철보다 무거운 원소는 모두 초신성이나 중성자별 충돌에서 만들어집니다. 특히 금과 백금은 주로 중성자별 충돌에서 만들어졌다고 봅니다.
현실은 정말 놀랍습니다!!
핵융합 생성물이 철이 되면 더 이상 에너지가 나오지 않는다는 말은 맞지만, 철보다 무거운 원소가 전부 격변적인 사건(초신성이나 중성자별 충돌)에서만 만들어지는 것은 아닙니다.
별은 "증식로"처럼 작동할 수 있습니다. 생애 후반 단계의 별 안에서 여러 핵융합 반응이 일어나는 과정에 중간 산물이나 부산물로 자연히 중성자가 흘러나오는데, 이 중성자를 원자핵이 흡수한 뒤 베타 붕괴를 거치면 철보다 무거운 원소가 만들어집니다. 이를 "s-과정"(slow, 느린 과정)이라고 하며, 란타넘족 정도까지의 넓은 범위의 원소가 이 과정으로 만들어집니다. 그리고 항성풍이나 말기의 행성상 성운 단계에서 이 중 일부가 성간 물질로 돌아갑니다.
"자연에 존재하는" 가장 무거운 원소들에는 이른바 "r-과정"이 필요하다는 말은 맞습니다. 초신성처럼 중성자가 극단적으로 넘쳐나고 중성자 흐름이 엄청나게 센 환경이거나, 중성자별 충돌처럼 철보다 무거운 원자핵끼리 직접 융합하는 환경이어야 합니다.
이 분야는 연구가 꽤 활발합니다. 천문학 쪽에서는 격변적 사건의 X선 분광으로 여러 원자핵을 검출하려 하고, 이론 쪽에서도 연구하고 있습니다. r-과정은 필요한 중성자 플럭스가 우리 손이 닿는 범위 밖이라 실험실에서 재현할 수 없기 때문입니다.
그렇다 해도 많은 "전이 금속" 원소가 비교적 평범한 별에서 s-과정으로 만들어진다는 사실은 변하지 않습니다.
안정한 원소가 전부 지구에 존재한다는 건 꽤 놀랍습니다. 일부는 아주 희귀하긴 하지만요. (곰곰이 생각해 보면 그렇게 놀랍지만은 않습니다. 별에서는 더 격렬한 일이 더 빨리 일어나고, 초기 우주는 에너지 밀도도 더 높았으니까요.) 지구를 이루는 물질이 지구가 되기 전에 정말 많은 일을 겪었다는 뜻이기도 합니다.
이 말은 대략적으로만 맞습니다.
철-56은 핵자당 핵 결합 에너지가 가장 높은 동위원소여서, 어떤 가벼운 원자핵들의 핵융합으로도 만들어질 수 있습니다.
철-56 이후로는 결합 에너지가 천천히 줄어듭니다. 그래서 그다음으로 무거운 원자핵도 특정한 가벼운 원자핵들의 핵융합으로 만들어질 수 있지만, 아무 조합이나 되는 것이 아니라 평균 결합 에너지가 더 낮은 쌍에서만 가능합니다.
즉 철-56보다 무거운 다음 원자핵들도 핵융합으로 만들어질 수는 있지만, 원자 질량이 커질수록 생성 확률이 빠르게 떨어져 결국 무시해도 될 정도가 됩니다.
코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 저마늄은 가벼운 원소들의 핵융합으로 비교적 많은 양이 만들어지지만, 저마늄 이후로는 핵융합으로 만들어지는 원소의 양이 극단적으로 적어집니다. 저마늄만 해도 핵융합으로 만들어지는 양이 철의 1만 분의 1 정도입니다.
핵자당 결합 에너지는 아주 천천히 줄어들기 때문에 우라늄조차 헬륨보다 핵자당 결합 에너지가 높습니다. 그래서 에너지 면에서는 수소나 헬륨의 핵융합으로 만들어질 수 있지만, 그럴 확률은 완전히 무시해도 될 만큼 낮습니다(그렇게 많은 수소나 헬륨 원자핵이 동시에 충돌할 가능성이 거의 없고, 중간 질량의 원자핵으로 융합한다 해도 그 핵들이 더 무거운 핵보다 결합 에너지가 높아서 핵융합 반응이 더 이어지는 것을 막기 때문입니다).
저마늄보다 무거운 원소는 거의 전부 중성자 포획으로 만들어집니다. 양성자가 많은 일부 동위원소만 예외로, 양성자와의 충돌로 만들어집니다. 중성자가 풍부한 환경은 여러 종류가 있고 환경마다 중성자 농도와 에너지 분포가 달라서, 환경마다 우선적으로 만들어지는 동위원소 집단이 다릅니다.
우리 태양계처럼 비교적 젊은 항성계에서는 별과 행성으로 응축된 물질이 여러 기원에서 온 원소들의 혼합물입니다.
중성자가 극단적으로 풍부한 환경에서는(초신성 폭발, 중성자별 충돌 같은 것뿐 아니라 지구상의 핵폭발도 여기에 해당합니다) 페르뮴(Z = 100)까지의 모든 원소가 만들어집니다. 하지만 이 원소들로 이루어진 물질이 우주를 떠돌다 새로운 항성계를 이루기까지 사이에 플루토늄을 제외한 대부분의 초우라늄 원소는 붕괴합니다. 태양계가 형성될 때는 가장 무거운 원소로 토륨과 우라늄뿐 아니라 플루토늄도 비교적 많이 남아 있었지만, 그 뒤로 지금까지 플루토늄은 붕괴했고, 지금 원자로에 쓰이는 우라늄-235도 대부분 마찬가지로 붕괴했습니다.
그런데 핵시계에 쓰는 건 229Th인데, 반감기가 8000년이고 자연에는 전혀 존재하지 않아요.
맞습니다. 원자로에서 인공적으로 만들기 때문에 어떤 천연 동위원소보다 훨씬 비쌉니다.
핵시계에 쓰는 양은 아주 적겠지만, 그래도 확보하는 것이 문제가 될 것입니다.
위키백과에 따르면 배경 방사선에 가장 크게 기여하는 것은 칼륨-40이고, 토륨의 10배쯤 됩니다. https://en.wikipedia.org/wiki/Environmental_radioactivity
이 문서는 전부 토륨과 라돈 때문이라고 하는데요. https://en.wikipedia.org/wiki/Background_radiation
둘 중 어느 문서가 더 정확한지는 저도 모르겠습니다.
칼륨은 모든 생세포를 포함해 어디에나 있습니다.
그래서 칼륨에서 나오는 방사선에 대한 피폭은 지구상의 모든 생물에게 일정합니다.
토륨과 라돈에 대한 피폭은 장소에 따라 크게 다릅니다. 화강암이 있는 곳이나 화강암이 침식되어 생긴 퇴적물이 있는 곳에서는 상당할 수 있습니다.
그래서 먼지나 라돈 가스를 들이마시는 경우에는 일부 사람이나 동물 등이 다른 방사선원보다 토륨이나 라돈의 방사선에 더 많이 노출될 수 있지만, 대부분은 몸속에 있는 칼륨-40과 탄소-14에서 나오는 방사선(약한 베타선뿐입니다)에 가장 많이 노출됩니다.
그건 맞습니다만, 칼륨과 탄소는 대부분이 방사성 동위원소가 아닙니다. 토륨은 전부 방사성이고요. 그러니 모든 생명체가 어느 정도의 방사성 칼륨과 방사성 탄소를 지니고 있다는 말은 맞을 것 같지만, 그렇다고 생명이 있는 모든 곳에서 방사성 탄소나 칼륨이 토륨보다 더 풍부하거나 더 쉽게 접할 수 있다는 뜻은 아닙니다.
바닷물에는 토륨이 거의 없습니다. 토륨 광물은 용해도가 매우 낮기 때문입니다. 그래서 바닷물에서는 방사성 칼륨과 탄소가 훨씬 더 풍부합니다.
지구 전체로 평균을 내면 토륨은 칼륨보다 10만 배쯤 적고, 칼륨-40은 전체 칼륨의 1만 분의 1에 불과하니, 칼륨-40이 토륨보다 더 많습니다. 지구가 응축될 때는 K40이 지금보다 훨씬 많았으므로, 초기 지구에서는 칼륨이 토륨과 우라늄보다 더 많은 열을 냈습니다.
대륙 지각에는 지구 전체의 토륨 중에서 칼륨의 해당 비율보다 더 많은 양이 농축되어 있어서, 토륨은 질량 기준으로 칼륨보다 2300배쯤만 적습니다. 따라서 대륙 지각에는 질량 기준으로 칼륨-40보다 토륨이 4배쯤 많습니다.
하지만 장석 같은 칼륨 함유 암석은 어디에나 있는 반면, 토륨이 많이 든 주된 광물인 인산염 광물은 지표에서 만나기가 더 드뭅니다. 그래서 토륨이나 우라늄보다 K40이 훨씬 많은 곳도 얼마든지 있습니다.
게다가 같은 질량이면 칼륨-40은 토륨이나 천연 우라늄보다 방사능이 몇 배 더 셉니다. 붕괴할 확률이 더 높고 단위 질량당 원자 수도 더 많기 때문입니다. 그러니 대륙 지각에서 칼륨-40이 질량 기준으로 토륨보다 4배 적더라도, 초당 방사성 붕괴 횟수는 몇 배 더 많습니다. 다만 K40에서 나오는 방사선의 에너지는 더 낮아서, 전체적으로는 토륨이 지각에서 열을 조금 더 많이 냅니다.
칼륨은 토륨보다 방사선을 더 많이 내지만 흩어져 있습니다. 자연에는 방사성이 없는 칼륨에 희석되지 않은 농축된 K40이 있는 곳이 결코 없습니다. 그래서 어떤 생물이나 칼륨 광물도 토륨 광물이 든 암석 조각만큼 방사능이 강해질 일은 없습니다.
더구나 토륨이 어떤 광물에 갇힌 채 수천 년을 지내면 그 광물에는 토륨의 붕괴 생성물인 라듐, 폴로늄 등이 쌓여서 순수한 토륨보다 방사능이 몇 배 더 세집니다. 이런 토륨 광물이 부서지면 거기서 나온 먼지는 순수한 토륨보다 방사능이 몇 배나 더 셀 것입니다.
그래서 토륨이 든 물건 중에 방사능이 비교적 센 조각을 만날 위험은 있지만, 칼륨-40은 천연 칼륨에서 분리하려는 실험실이 아닌 한 그럴 위험이 없습니다(그럴 만한 합당한 이유도 없고, 그렇게 정제한 K40은 매우 위험할 겁니다. 토륨이나 우라늄과 달리 모든 생세포가 그런 칼륨을 몸속에 받아들이려 들 테니까요).
결론적으로, 일부 동물이나 그보다는 일부 사람이 토륨 광물을 만나 방사선을 쬘 수는 있지만, 모든 생물을 평균 낸 방사선량은 압도적으로 K40과 C14에서 나온 것이고, 해양 생물은 바닷물에 녹아 있는 우라늄에서 나온 더 낮은 선량이 여기에 더해집니다. 토륨이나 칼슘, 바나듐처럼 풍부한 다른 약한 방사성 원소에서 오는 방사선량은 이들에 비하면 거의 무시해도 됩니다.
칼륨은 어디서 오나요?
칼륨은 지구상의 모든 생명체에 꼭 필요한 원소입니다.
사람을 포함한 모든 생물의 모든 세포에는 칼륨 이온이 들어 있습니다. 칼륨 이온은 단백질의 과잉 음전하를 중화하는 데 필요하며, 그렇지 않으면 세포 내부가 산성이 되어 스스로 파괴될 것입니다.
다른 어떤 양이온도 칼륨을 대신할 수 없습니다. 풍부한 다른 양이온은 모두 고체 침전물을 만들 경향이 훨씬 커서, 마찬가지로 세포를 파괴하기 때문입니다. 그래서 모든 생세포는 풍부한 나트륨 이온과 칼슘 이온을 바깥으로 내보내고, 환경에 있는 칼륨 이온은 안으로 퍼 올립니다. 세포가 칼륨과 마그네슘을 안으로, 나트륨과 칼슘을 밖으로 퍼내는 일을 멈추는 순간이 곧 세포가 죽는 순간입니다.
태양계가 형성될 때 이미 존재했던 원시 원소 중에는 약하게 방사성을 띠는 것이 많습니다. 반감기가 적어도 수억 년이고 대부분은 수십억 년인 동위원소를 가진 원소들입니다.
이런 약한 방사성 원소 중에서 인체에는 칼륨-40뿐 아니라 칼슘-48도 들어 있지만, 칼슘-48은 칼륨-40보다 방사능이 훨씬 약합니다. 원시 방사성 동위원소 말고도 우주선(cosmic ray)이 끊임없이 만들어 내는 방사성 동위원소가 있는데, 탄소-14가 그 예이며 이것도 모든 생물의 몸속에 있습니다.
원시 방사성 동위원소 중 방사능이 가장 강한 것은 우라늄-235와 칼륨-40이고, 그다음이 우라늄-238, 토륨-232, 백금-190입니다. 약한 방사성 동위원소가 존재하는 것은 우연이 아니라 핵 안정성에 관한 일련의 규칙으로 정해집니다. 예를 들어 칼륨-40이 방사성인 이유는 원자 번호가 홀수이고 질소보다 무거운 원소의 동위원소 중 원자 질량이 짝수인 것은 모두 방사성이기 때문입니다. 칼륨-40은 반감기가 유난히 길어서 아직 붕괴하지 않았을 뿐입니다(반감기가 긴 것은 칼륨-40이 뷔리당의 당나귀처럼 아르곤으로 붕괴할지 칼슘으로 붕괴할지 정하지 못하고 어정쩡한 상태로 머물러 있기 때문입니다).
모든 생물은 방사선이 핵산에 입힌 손상을 복구하는 기작을 갖고 있으므로, 어디에나 있는 아주 낮은 수준의 자연 방사선은 걱정할 필요가 없습니다. 방사선이 보통보다 훨씬 높은 특정 장소는 예외입니다.
방사선(자연이든 인공이든)이 어느 정도부터 걱정스러운 수준인지는 말하기가 꽤 어렵습니다. 배경 방사선 수준이 높은 곳에서 수백 년, 어쩌면 그보다 오래 살아온 사람들이 있기 때문입니다.
이란의 람사르, 브라질의 과라파리, 인도의 오디샤와 케랄라, 중국의 양장이 그런 곳입니다.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350448715000086
온천 시설의 실내 라돈 농도도 상당히 높습니다.
https://www.researchgate.net/publication/319898073_Indoor_radon_levels_and_total_gamma_dose_rates_measurements_in_Portuguese_thermal_spas
맞습니다. 방사선이 측정 가능한 해를 끼치기 시작하는 수준이 어디인지는 매우 불확실합니다.
그래도 얼마 전 바로 여기 HN 댓글에서, 항공사 승무원의 암 발병률이 더 높다는 내용의 기사를 본 것 같습니다. 경력 내내 방사선 수준이 높은 고고도에서 오래 지내서 생긴 결과일 가능성이 큽니다.
고고도의 경우 우리 몸속에 있는 약한 방사성 원소와 마찬가지로, 방사선 피폭은 모든 사람에게 확실히 일어나고 계속됩니다.
방사선 수준이 더 높은 지역에 사는 사람들은 개인별 피폭량 차이가 매우 클 수 있습니다. 토양이나 암석에서 나오는 알파선과 베타선은 몸을 투과하지 못하기 때문에, 추가 피폭의 대부분은 먼지를 먹거나 들이마시는 데서 오기 때문입니다.
개인별 피폭량은 경로(외부 피폭, 내부 피폭), 전리 방사선의 종류(자외선, X선, 알파선, 베타선, 감마선, 중성자, 우주선 - 고에너지 양성자나 원자핵), 전리 방사선의 에너지, 조직 종류별 가중치를 달리해서 계산합니다.
https://en.wikipedia.org/wiki/Effective_dose_(radiation)
그렇게 하면 결국 전신에 대한 확률적 건강 위험을 얻는데, 이는 암 유발과 유전적 영향의 확률을 시버트로 나타낸 값입니다. 1시버트(Sv)는 암에 걸릴 확률 5.5%에 해당합니다.
대부분은 밀리시버트 단위의 선량을 다루게 되는데, 이는 암 확률이 아주 조금 올라가는 정도라서 의학 연구로 입증하기가 어렵습니다. 인간의 암 기저 발생률이 높은 데다 성별, 체중, 나이, 흡연, 생활 방식, 환경 요인, 음식처럼 암 발생률에 영향을 주는 요인이 많기 때문입니다.
항공사 승무원의 암 발병률이 더 높다는 기사는 저도 읽었습니다. 이걸 온천 시설 종사자의 위험과 비교해 보면 흥미로울 것 같습니다. 광부도 마찬가지입니다. 지하에는 라돈이 많을 수 있고, 환기가 충분하지 않으면 특히 그렇습니다.
바나나요.
어느 유명한 출처에 따르면 카자흐스탄입니다.
한 솔로가 나타나기 전에는 케셀 런을 12파섹 안에 주파한 사람도 아무도 없었죠.
시계가 얼마나 정확한지는 어떻게 아는 걸까요? 예를 들어 6500만 년에 2초 어긋난다는 식으로요.
단순하게 생각하면 그걸 측정하는 게 시계를 만드는 것보다 더 어려워 보여요. 기준이 될 완벽한 시계가 있어야 하지 않나요? 여기에 정말 기발한 뭔가가 있을 것 같아요.
그동안 거친 모든 중간 측정의 불확도를 합산해서 구합니다.
비슷한 예로 일반 시계를 들면, 다음의 불확도를 측정하고 계산하게 됩니다.
회전축과 진자 무게중심 사이의 거리
현지 중력 가속도
그리고 계산으로 진자의 주기와 그 불확도를 구하는 겁니다.
이 경우에는 이전에 구현한 1초의 정의보다 더 정밀한 진자를 만들고 측정할 수 있을지 모르겠습니다(미터가 빛의 속도와 초로 정의되고, 중력계도 아마 초의 정의에 의존할 테니까요).
그래서 기본 단위의 정의는 이전의 구현에 의존하지 않도록 신중하게 선택합니다. 제 기억이 맞다면, 시간이 기본 단위 중 가장 근본적입니다. 다른 기본 단위가 시간에 의존하니까요.
직관이 완전히 틀린 건 아닙니다. 우리는 지금 SI의 기본 단위인 초를 다시 정의하는 과정에 있는데, 새 시계들이 현재의 정의보다 더 정밀하기 때문입니다. 정말 머리가 어질어질한 이야기입니다.
예를 들어 지난 토론을 보세요. https://news.ycombinator.com/item?id=44264481
최고의 광시계가 SI 정의의 바탕이 된 시계보다 정밀도가 몇 자릿수나 앞선 지는 벌써 여러 해가 되었습니다.
재정의가 수십 년 뒤로 미뤄진 데에는 두 가지 이유가 있습니다.
하나는 최고의 광시계가 매우 복잡해서 오랫동안 끊김 없이 가동하기가 어렵다는 점입니다. 더 믿을 만한 시계가 나오기 전까지 연속적인 시간 척도를 유지할 유일한 방법은 실험실마다 비교적 많은 광시계를 가동해 두는 것입니다. 그러면 하나 이상이 정비 때문에 멈출 때마다 여전히 돌아가는 시계가 충분히 남습니다. 가능은 하지만 비용이 많이 듭니다.
더 믿을 만하거나 값싼 광시계를 기다리는 것 말고도, 재정의가 미뤄진 더 근본적인 이유가 하나 더 있습니다.
세슘 시계를 SI 정의에 채택할 때는 견줄 만한 정밀도를 가진 대안이 없었기 때문에 선택이 명백했습니다. 지금은 성능이 비슷한 광시계가 십여 종 있고, 결국 어느 것이 최고가 될지 분명하지 않습니다.
그래서 저도 동의하는 제안이 하나 있는데, 앞으로의 SI 정의는 단일 주파수 표준에 기대지 말고, 여러 종류의 광시계(아마 5종 이상) 주파수의 가중 기하평균에서 시간의 단위를 도출하자는 것입니다.
이런 정의라면 시계 기술이 발전함에 따라 평균을 계산하는 주파수 집합에 표준 주파수를 추가하거나 뺄 수도 있고, 가중치를 바꿀 수도 있습니다.
토륨-229로 핵시계를 만들 수 있다는 사실은 이미 여러 해 전에 밝혀졌습니다.
그래도 실제로 가능해진 것은 오랜 연구 끝에 이제야입니다. 앞으로 나올 토륨-229 시계가 이 첫 시제품 2대보다 몇 자릿수는 더 좋아지리라는 데는 의심의 여지가 없고, 그래서 해당 시계의 주파수가 앞으로의 SI 정의의 바탕이 될 주파수 집합에 추가될 가능성이 큽니다.
핵시계를 더 안정적인 기존 원자시계와 비교해서 안정성을 측정했습니다. 빈에서는 상용 단일 이온 광시계 [1]를 썼고, 베이징에서는 GNSS 위성을 통해 국제원자시 척도에 맞춰 보정한 수소 메이저(마이크로파 원자시계의 일종)를 썼습니다.
[1] https://www.toptica.com/products/optical-quantum-clocks/topticlock
표준 원자시계는 바깥 껍질 전자를 이용하는데, 이 전자는 주변의 전자기 잡음에 민감합니다. 핵에 직접 맞추는 것이 환경에 따른 드리프트를 확실히 없애는 방법입니다.
오늘 알았네요. 원자시계는 핵시계가 아니었어요.
원자시계는 (세슘) 원자를 전자까지 포함해서 공명시키는 거고요.
핵시계는 (토륨) _원자핵_을 공명시키는 거예요.
그다음엔 둘 다 "여느 시계처럼" 그 진동을 재는 거죠. "간단하죠" ;-)
그리고 드리프트를 일으키는 "환경"이 온도, 자기장, 그러니까 전자에 영향을 주는 모든 것이라는 것도 알게 됐어요.
정확합니다. 전자 전이를 떠돌아다니는 열 효과와 자기 효과에서 차폐하려면 혹독할 만큼 까다로운 포획 장치가 필요합니다. 핵은 그런 격리를 공짜로 제공하고요.
"atomic"과 "nuclear"는 시기에 따라 같은 뜻으로 섞어 쓰였습니다. 예전에는 거의 모든 것을 "atomic"이라고 불렀습니다. 하지만 최근 들어 더 엄밀하게는, atomic은 원자핵과 그 전자 껍질을 다루고 nuclear는 원자핵만 다룹니다.
핵시계가 있으면 이온이나 원자의 에너지 준위를 쓰는 시계에 필요한 아주 복잡한 단일 이온 트랩이나 광격자가 필요 없어지리라는 것이 기대입니다.
토륨 원자가 작은 결정 속에 들어 있더라도 시계 전이의 주파수는 환경의 영향을 받지 않을 것입니다.
안타깝게도 지금까지 쓸 만한 다른 원자핵은 발견되지 않았습니다. 핵 에너지 준위에 해당하는 주파수는 보통 현재나 가까운 미래의 기술로 다루기에는 너무 높기 때문입니다.
토륨-229는 시계 구조가 단순해질 가능성이 있지만, 이 인공 동위원소를 만드는 데 드는 막대한 비용이 그 이점을 상쇄합니다.