原子频率标准根据量子力学原理，即电磁辐射和原子或分子的相互作用引起能量以不连续的变化方式进行交换，并引起两个分子能级之间吸收或发射的粒子的能量改变，发射或吸收的光子频率与能量p和q之间的能量有关：
原子频率标准的发展史可以追溯到上世纪20年代，当时Barwin首次把磁场中的自旋取向量子化和谐振现象联系起来，上世纪三十年代首次在微博波段进行了频谱实验，1948年美国国家标准局的Harold Lyons根据氨的微波吸收原理制造了第一台“原子钟”，1950年前后的五年中，原子束波譜学进一步用于频率的确定和测量上，铯束装置的首次实际运用大约在1955年，第一台商品型铯束频率标准出现于1956年，从1955年到1970年，铯束频率标准的准确度大约以每五年提高一个量级的速度得到改善。目前普遍应用的商品型铯束频率标准的准确度为10E-12量级。
时间频率标准包括精密钟、音叉、高稳定石英晶体振荡器和各种原子频率标准。
原子频率标准具有主动型（有源）和被动型（无源）两种类型，前者由量子振荡器直接输出标准频率，后者不能直接输出标准频率，而是通过量子系统的受激跃迁吸收程度（谐振与否）得到误差信号，去修正压控晶体振荡器的频率，由晶体振荡器输出标准频率。铯束原子频率标准是被动型的典型例子。图中示出了被动型原子频率标准的原理框图。压控晶振的输出信号经倍频和频率合成后产生供原子跃迁用的激励信号。当激励信号频率等于原子跃迁系统中的原子跃迁频率时，发生跃迁的原子数最多；偏离时则减少。跃迁检测器上产生与跃迁原子成比例的电信号。调制信号的作用是产生与激励信号偏离跃迁频率不同方向相对应的控制信号，经相位检波器后变成相应的误差电压，放大后修正压控晶体振荡器的频率。当频率锁定时，即激励信号的频率等于原子跃迁频率；此时压控晶体振荡器输出的频率就可作为标准频率，经多级分频后可得标准秒信号。
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