Desde 1967 que a definição internacional da unidade de tempo baseia-se num relógio atómico porque é considerado o relógio mais preciso construído pelo Homem.
O Sistema Internacional de Unidades (SI) considera que a unidade de tempo, o segundo, corresponde a 9.192.631.770 ciclos de radiação que se verificam durante a transição de electrões entre dois níveis de energia do átomo de césio-133.
Como qualquer relógio, um relógio atómico permite medir o tempo e funciona com base num fenómeno periódico. Neste caso, o fenómeno periódico está relacionado com uma propriedade do átomo: a frequência de oscilação da energia do átomo.
O átomo é estimulado externamente por ondas electromagnéticas para que sua energia oscile de forma regular. Conhecendo a frequência máxima com que os átomos libertam energia, calcula-se a frequência da radiação emitida. Os mecanismos do relógio excitam os átomos com radiações adequadas, até atingir esse valor de frequência, que é interpretada como tempo de acordo com padrões estabelecidos.
O padrão mais utilizado corresponde à frequência de radiações microondas emitidas pelos electrões de átomos de césio-133 durante a transição de um estado excitado para o estado fundamental. Estabeleceu-se que a 1 segundo correspondem 9.192.631. 770 oscilações do átomo de césio-133.
O primeiro relógio atómico foi apresentado em 1946 nos Estados Unidos pelo químico Willard Libby. Em 1955, Louis Essen (Reino Unido) construiu uma versão mais aperfeiçoada que utilizava, pela primeira vez, o átomo de césio-133 contribuindo para a definição internacional de segundo que hoje se utiliza. Actualmente, existem relógios atómicos de pequena dimensão e que podem ser utilizados em aparelhos movidos a pilhas, desenvolvidos pelos cientistas do NIST (National Institute of Standards and Technology) em 2004.
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