1946年美国物理学家利比首创了原子钟的原理。两年之后，在华盛顿国家标准局诞生了第一台原子钟。原子钟靠计算铯原子或者氨原子的天然振动来计时，准确性相当高，300年中的误差不到1秒。
铯原子钟的工作原理
每一个原子都有自己的特征振动频率。人们最熟悉的振动频率现象就是当食盐被喷洒到火焰上时食盐中的元素钠所发出的桔红色的光。一个原子具有多种振动频率，一些位于无线电波波段，一些位于可见光波段，而另一些则处在两者之间。铯133则被普遍地选用作原子钟。
将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。通常是采用锁定晶体震荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。这一信号处于无线电的微波频谱范围内，并恰巧与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。
为了制造原子钟，铯原子会被加热至汽化，并通过一个真空管。在这一过程中，首先铯原子气要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场，然后通过一个强烈的微波场。微波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡，以使得在每一个循环中一些频率点可以达到9,192,631,770Hz。精确的晶体振荡器所产生的微波的频率范围已经接近于这一精确频率。当一个铯原子接收到正确频率的微波能量时，能量状态将会发生相应改变。
在更远的真空管的尽头，另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率上而已经改变能量状态的铯原子分离出来。在真空管尽头的探测器将打击在其上的铯原子呈比例的显示出，并在处在正确频率的微波场处呈现峰值。这一峰值被用来对产生的晶体振荡器作微小的修正，并使得微波场正好处在正确的频率。这一锁定的频率被9,192,631,770除，得到常见的现实世界需要的每秒一个脉冲。

　　原子钟的精密主要因为它与秒的定义密切相关。要想准确测量时间，必须先精确地定义时间的单位，我们常识中的年、天、小时的概念已无法满足人类科技的要求。科学家在研究发现，原子从一种能量状态到另一种能量状态所发射出的电磁波频率异常稳定。因此，1967年第13届国际计量大会将秒按原子标准重新定义为：地面状态的铯?33原子对应与两个超精细能级跃迁9192631770个辐射周期的持续时间。
　　科学家根据这一标准设计了精密的原子种。它的原理是让一束原子进入单向磁场使某一能极的原子偏转进入高频磁场发生共振吸收，再通过一系列电子电路控制或校准一个石英钟来达到精密计时的目的。这种时钟可以精确到每天1×10^-13秒，也就是每30万年差1秒。因此，原子钟一直被用来测定标准时间。我们每天从电视或收音机中收到的报时就是通过原子钟得到的。