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원자 내의 진동을 이용하는 모든 원자시계에 의해 수정시계보다 훨씬 우수한 정밀도를 얻을 수 있다. 이들 미소한 전자 진동은 외부의 조건에 거의 영향을 받지 않고 그 진동수는 원자 자신의 성질에 좌우되기 때문에 이들 원자는 모두 같은 진동수를 갖는다(→ 원자시, 원자시계). 원자시계에서는 보통 세슘 원자가 사용되고 있다.

자장(磁場) 속에서 원자는 미세한 자석과 같이 움직이며, 원자핵의 자기 모멘트는 자장에 대해 평행 혹은 역평행해진다. 원자가 놓인 자기장이 교류자기장(交流磁氣場)이고, 그 진동수가 세슘 원자의 고유 진동수와 같으면 원자의 자극(磁極)의 방향이 변화한다.

세슘 원자시계의 원리는 다음과 같다. 원자로에서 발사되는 세슘 원자의 빔은 진공관 내를 통과하여 고정된 자석에 의해 굽어져 교류자기장에 들어간다. 자장의 주파수가 맞으면 원자의 자극은 방향을 바꾸어 또하나의 고정된 자석에 의해 역방향으로 굽어져 검출기(檢出器) 위에 초점을 맺는다. 자기장의 주파수가 맞지 않으면 원자는 발산된다. 실제로는 교류자기장의 주파수를 조금씩 변화시켜 검출기가 최대의 감도(感度)를 나타났을 때의 주파수가 세슘 원자의 주파수와 같게 된다.

런던 근처 테딩턴의 국립물리연구소에 있는 세슘 원자시계는 정밀도가 1/300,000,000,000억이며 오차는 1,000년에 1초이다.