1.天文望远镜
天文望远镜，是观测天体的重要仪器，可以毫不夸大地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。随着望远镜在各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，天文望远镜迅速推进着人类对宇宙的认识。
从第一架光学望远镜到射电望远镜诞生，这三百多年中，光学望远镜一直是天文观测最重要的工具，下面就对光学望远镜的发展作一个简单的介绍。
其一，折射式望远镜
1608年，荷兰眼镜商人李波尔赛，偶然发现用两块镜片可以看清远处的景物，受此启发，他制造了人类历史第一架望远镜。
1609年，伽利略制作了一架口径4.2厘米，长约1.2米的望远镜。他是用平凸透镜作为物镜，凹透镜作为目镜，这种光学系统称为伽利略式望远镜。伽利略用这架望远镜指向天空，得到了一系列的重要发现，天文学从此进入了望远镜时代。
1611年，德国天文学家开普勒，用两片双凸透镜，分别作为物镜和目镜，使放大倍数有了明显的提高。以后，人们将这种光学系统称为开普勒式望远镜。现在人们用的折射式望远镜，还是这两种形式，天文望远镜采用的就是开普勒式。
折射望远镜的优点是焦距长，底片比例尺大，对镜筒弯曲不敏感，最适合于做天体测量方面的工作。但是，它总是有残余的色差，同时对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害。而巨大的光学玻璃的制作也十分困难，直到1897年叶凯士望远镜出现，折射望远镜的发展达到了顶点。此后的这一百年中，再也没有更大的折射望远镜出现。主要的原因在于技术方面，即无法铸造出大块完美无缺的玻璃做透镜，并且由于重力会使大尺寸透镜发生变形，进而丧失明锐的焦点。
其二，反射式望远镜
第一架反射式望远镜，诞生于1668年。牛顿经过多次磨制非球面的透镜均告失败后，决定采用球面反射镜作为主镜。他用2.5厘米直径的金属，磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜呈45度角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光，经反射镜以90度角反射出镜筒后，到达目镜。这种系统称为牛顿式反射望远镜。它的球面镜虽然会产生一定的象差，但用反射镜代替折射镜却是一个巨大的成功。
1918年末，口径为254厘米的胡克望远镜投入使用，这是由海尔主持建造的。天文学家用这架望远镜，第一次揭示了银河系的真实大小和我们在其中所处的位置。更为重要的是，哈勃的宇宙膨胀理论就是用胡克望远镜观测的结果。
反射式望远镜有许多优点。比如，它没有色差，能在广泛的可见光范围内记录天体发出的信息，比折射望远镜更容易制作。但它也存在固有的不足，如口径越大视场越小；物镜需要定期镀膜等。
其三，折反射式望远镜
折反射式望远镜，是1931年德国光学家施密特，用一块平行板的非球面薄透镜，作为改正镜，与球面反射镜配合，制成了可以消除球差和轴外象差的施密特式折反射望远镜。这种望远镜的特点是光力强、视场大、像差小。它适合拍摄大面积的天空照片，尤其是对暗弱星系的拍摄效果非常明显。目前施密特望远镜，已经成了天文观测的重要工具，最早出现于1814年。
我们知道，在地球表面有一层浓厚的大气，由于地球大气中各种粒子与天体辐射的相互作用（主要是吸收和反射相互作用），使得波段范围内的大部分天体辐射，无法到达地面。人们把离子能到达地面的波段形象地称为“大气的窗口”，这种“窗口”有以下三类。
光学窗口：波长在300～700纳米之间，包括了可见光波段（400～700纳米）。光学望远镜一直是地面天文观测的主要工具，这是最重要的一个窗口。
红外窗口：天文研究常用的有七个红外窗口，红外波段的范围在0.7～1000微米之间。由于地球大气中存在不同分子，它们吸收红外线波长不一致，造成红外波段的情况比较复杂。
射电窗口：射电波段，是指波长大于1毫米的电磁波。大气对射电波段也有少量的吸收，但在30 ～40毫米的范围内，大气几乎是完全透明的，现在一般把1毫米～30米的范围称为射电窗口。
大气对于其他波段，比如紫外线、X射线、γ射线等，均为不透明的。在人造卫星上天后，人类才实现这些波段的天文观测。
其四，红外望远镜
最早的红外观测，可以追溯到18世纪末。但是，由于地球大气的吸收和散射，造成在地面进行的红外观测只局限于几个近红外窗口。要获得更多红外波段的信息，就必须进行空间红外观测。但是随着科技的发展，现代的红外天文观测，19世纪60～70年代，已经采用高空气球和飞机运载的红外望远镜或探测器进行观测。
1983年1月23日，美国、英国、荷兰联合发射了第一颗红外天文卫星IRAS。其主体是一个口径为57厘米的望远镜，主要从事巡天工作。IRAS的发射成功，极大地推动了红外天文在各个层次的发展。直到现在，IRAS的观测源仍然是多数天文学家研究的主要目标。
红外天文望远镜的实际工作寿命为30个月，对目标进行定点观测（IRAS的观测是巡天观测），这能有效地解决天文学家提出的问题。估计在不远的时间，以ISO数据为基础的研究将会成为天文学的热点之一。
实际上，从太阳系到宇宙使用红外望远镜与光学望远镜，有许多相同或相似之处。因此，科学家可以通过光学望远镜对地面的进行一些改装，使它也能同时从事红外观测。这样，就可以用这些望远镜，在夜晚或白天进行红外观测，更大地发挥观测设备的效率。
其五，紫外望远镜
紫外波段是介于X射线和可见光之间的频率范围。以前的紫外和可见光的划分界限在3900埃，当时以肉眼能否看到作为划分紫外波段标准。现代紫外天文学的观测波段为3100～100埃，和X射线相接。这是因为臭氧层对电磁波的吸收界限所决定的。
紫外波段的观测，在天体物理上有重要的意义。紫外观测要放在150千米的高度才能进行，这样做的主要目的是为了避开臭氧层和大气对它的吸收。原先的紫外观测，是用气球将望远镜载上高空。现在用了火箭、航天飞机和卫星等空间技术，才使紫外观测有了真正的发展。
紫外天文学，是全波段天文学的重要组成部分。自“哥白尼”号升空到现在，已经发展了紫外波段的EUV（极端紫外）、FUV（远紫外）、UV（紫外）等多种探测卫星，目前已覆盖了全部紫外波段。
其六，X射线望远镜
X射线辐射的波段范围是0.01～10纳米，其中波长较短能量较高的波段称为硬X射线，波长较长的称为软X射线。天体的X射线，是根本无法到达地面的。只是在20世纪60年代人造地球卫星上天后，天文学家才获得了重要的观测成果，X射线天文学才发展起来。早期只能是对太阳的X射线进行观测。
其七，γ射线望远镜
γ射线比硬X射线的波长更短，能量更高。由于地球大气的吸收，γ射线只能通过高空气球和人造卫星搭载的仪器进行天文观测。
受到康普顿空间天文台成功的鼓舞，欧洲和美国的科研机构，合作制订了一个新的γ射线望远镜计划—INTEGRAL，准备在21世纪初送入太空。它的上天，将为康普顿空间天文台之后的γ射线天文观测的进一步发展奠定基础。
我们知道，地球大气严重吸收电磁波，所以我们在地面上只能进行射电、可见光和部分红外波段的观测。随着空间技术的发展，在大气外进行观测已成为现实，因此诞生了可以在大气层外观测的空间望远镜。空间观测设备与地面观测设备相比，有着极大的优势。以光学望远镜为例，它可以接收到较宽的波段，接收到的短波甚至可以延伸到100纳米。而且没有大气抖动，其分辨能力可以得到很大的提高，而且空间没有重力，仪器就不会因自重而变形。前面介绍的紫外望远镜、X射线望远镜、γ射线望远镜以及部分红外望远镜的观测，都是在地球大气层外进行的，也都属于空间望远镜。
其八，哈勃空间望远镜
是由美国宇航局建造的四座巨型空间天文台中的一座，也是所有天文观测项目中规模最大、投资最多、最受公众关注的一项。它筹建于1978年，设计历时7年，1989年完成，并于1990年4月25日由航天飞机运载升空，耗资30亿美元。但是由于人为原因造成的主镜光学系统的球差，它不得不在1993年12月2日进行了规模浩大的改造工作。成功的修复使哈勃空间望远镜的性能达到甚至超过了原先设计的目标，观测结果表明，它的分辨率比地面的大型望远镜高出好几十倍。
哈勃空间望远镜，对发展天文学有非常重要的影响。
其九，美国国家航空航天局空间天文望远镜
空间望远镜（NGST）和空间干涉测量飞行任务（SIM），是美国国家航空航天局“起源计划”的关键项目，用于探索宇宙中星系和星团。其中，NGST是大孔径被动制冷望远镜，口径在4～8米之间，是HST和SIRTF（红外空间望远镜）的后续项目。它强大的观测能力主要体现在光学、近红外和中红外的大视场、衍射限成图方面。将运行于近地轨道的SIM采用迈克尔干涉方案，提供毫角秒级精度的恒星的精密绝对定位测量，同时由于具有综合成图能力，能产生高分辨率的图像，所以可以用于实现搜索其他行星等科学目的。
“天体物理的全天球天体测量干涉仪”（GAIA）将会对银河系的总体几何结构及其运动学做全面和彻底的普查，在此基础上，它将会开辟广阔的天体物理研究领域。GAIA采用Fizeau干涉方案，视场为1°。GAIA和SIM的任务在很大程度上是互补的。
一般房屋的屋顶，不是平的就是斜坡形的，唯独天文台的屋顶与众不同。远远望去，银白色的圆形屋顶，好像一个大馒头，在阳光照耀下闪闪发光。
为什么天文台要造成圆顶结构呢？难道是为了好看？事实上，天文台的圆顶完全不是为了好看，而是有它特殊的用途。我们看到的这些银白色的圆顶房屋，实际上是天文台的观测室，它的屋顶呈半圆球形。将天文台观测室设计成半圆形，是为了便于观测。在天文台里，人们通过天文望远镜来观察太空，天文望远镜往往做得非常庞大，不能随便移动。而天文望远镜观测的目标，又分布在天空的各个方向。如果采用普通的屋顶，就很难使望远镜随意指向任何方向上的目标。天文台的屋顶造成圆球形，并且在圆顶和墙壁的接合部装置了由计算机控制的机械旋转系统，使观测研究十分方便。这样，用天文望远镜进行观测时，只要转动圆形屋顶，把天窗转到要观测的方向，望远镜也就随之转到同一方向，再上下调整天文望远镜的镜头，就可以使望远镜指向天空中的任何目标了。
不用的时候，只要把圆顶上的天窗关起来，就可以保护天文望远镜不受风雨的侵袭。
当然，并不是所有的天文台的观测室，都要做成圆形屋顶。有些天文观测，只需要对准南北方向进行，观测室就可以造成长方形或方形的，在屋顶中央开一条长条形天窗，天文望远镜就可以进行工作了。
天文台分类如下：光学天文台，主要装备各光学天文仪器，如光学天文望远镜、太阳镜等，从事方位天文学或天体物理学方面的研究；射电天文台，一般主要由巨型甚至超巨型的无线接受设备和基站等构成，装备射电望远镜，观察的范围更大，受干扰小，从事射电天文学的研究；空间天文台，主要由一些用于空间观测的人造卫星组成，配备非常先进的光学观测系统。
3.天球仪
天球仪，是清代中叶的科学家齐彦槐所制。齐彦槐（1774～1841年），字梅麓，从事天文学和农田水利方面的研究，卓有成就。天球仪是根据天象制造的计时仪器。清朝时，欧洲钟表传入中国，天球仪内部模仿其结构，用发条作动力，自动运转报时报刻。外部铜球，铸有各个星座。
天球仪与铜壶滴漏一样，体现了中国古代利用天象计时的特点。但是，天球仪的制造，已经受到欧洲钟表制造的影响。
天球就是在一个圆球面上绘全天88星座、低至五等星名、主要星云星团、古中国二十八宿及赤道、黄道、赤经圈和赤纬圈等几种天球坐标系的刻度。
天球的模型，是一种用于航海、天文教学和普及天文知识的辅助仪器，人们利用它表述天球的各种坐标、天体的视运动以及求解一些实用天文问题。球面上，绘有亮星的位置、星名、星座以及几种天球坐标系的标志和度数。天球可以绕一根贯穿圆球心的轴旋转，这个轴称为天轴，轴的两端与天球的两个交点称为南极和北极。带轴的天球被支撑在一个通过南北两极的金属子午圈上。天球仪座架的水平圆环，代表地平圈。使用者可根据地理纬度在子午圈上，调节天极高度，并且能使天球绕极轴转动，从而看出在不同地理纬度上、在不同日期、不同时刻的星空景象以及某一天体的地平经度（方位角）和地平纬度（地平高度）。同样，它也可以显示出某一天太阳出没的时刻和方位、经天路径、中天时刻、高度和昼夜的长度。可见，天球仪很有实用价值。由于观测者是在天球外看天象，因此从天球仪上看到的天象，与从天空中看到的天象是相反的，但这并不影响天球仪的实用价值。陈列在中国北京古观象台上的清代铜制天球仪，铸造于1673年，直径2米，球上有恒星一千多颗，是以三垣二十八宿来划分的。一般使用的天球仪，直径在30厘米左右。
中国古代演示天象的仪器浑象，与天球仪在基本结构上是完全一致的。
4.月球仪
教学用月球仪和地球仪相仿。月球仪记载了月球上的海陆分布和山川湖沼。虽然月球上没有水，但这些名词一直使用下来，月球仪仅有象征的意义。自从1610年意大利天文学家伽利略用望远镜观测月球以来，逐步发现了月球上的种种特征，所以月球上开始出现了人名地名。近400年来，月球已经成了充满了地球人名地名的“小地球”。现在根据国际统一命名，才制成了月球仪。小型月球仪上的名称和图形要少些，但仍然是准确的。大型月球仪上的名称和图形就多得多了。根据国际公布的月面构造和经纬度坐标，以及相关的名称制作的月球仪，是月球的缩影。人们可以从月球仪上，查看到月面各种构造，特别是环形山和山脉，“海”、“洋”、“湖”、“沼”的分布和各自的名称。我们在月球仪上用较粗的线条和指示区分月球的正面和背面，这一点不可混淆。2007年我国嫦娥探月工程开始的时候，人们就是用月球仪了解月面各种特征、名称、位置，从而在听到探测月球的消息时，能对着月球仪了解情况而不茫然。
5.地球仪
为了便于认识地球，人们仿造地球的形状，按照一定的比例缩小，制作了地球的模型仪—地球仪。在地球仪上没有长度、面积、方向、形状的变形，所以从地球仪上观察各种景物的相互关系是整体而又近似于正确的。
地球仪有以下几种类型：经纬网格地球仪，在它的球面上只有经纬网格以及度数的注记；政区地球仪，球面光滑的表示行政区划的地球仪；地貌地球仪，球面光滑的表示自然面貌的地球仪；地形地球仪，是表示地形的模型，球面是起伏不平的。
在太阳照射下，地球的自转与公转引起了地球上日照区的移动，这个移动产生了很多天文现象。这些现象对人类生存十分重要，人们需要了解它认识它。我们根据这些需要研制了天文地球仪。它模仿地球自转与公转产生的日照区在地球表面的移动。这种移动产生了天文信息—昼、夜、日出、日落、节气、极昼区域、极夜区域、太阳直射点位置、地方时、世界时、时差等。这些信息都是人们日常生活须知的。过去人们利用钟表、地球仪或地图和日历的综合使用，得到了部分信息，但不同区域日出日落的时间、随节气（季节）变化的昼夜长短、日照角度等信息还是无法得到，只能实测或问天文台。天文地球仪，能给出这些信息。
世界上最早的地球仪，是由德国航海家、地理学家贝海？姆于1492年发明制作的。它至今保存在纽伦堡博物馆里。1480年，贝海？姆作为佛兰芒贸易商人初次访问葡萄牙，他自称是纽伦堡天文学家米勒的学生，所以成为约翰二世的航海顾问。当时航海者用星盘来测定日、月、星辰的高度，以此推算时间和纬度。用黄铜代替木质星盘，可能是由他创始的。1490年回纽伦堡后，在画家格洛肯东的协助下，贝海姆开始绘制他设计的地球仪，1492年完成绘制。他当时所画的世界地形，既不准确又已过时。在这个地球仪上，印度洋是向东西扩展的海洋，特别是非洲西海岸，错误多得实在惊人。不过有趣的是，在发现美洲的前夕，他绘制的地球仪为当时人们提供了一些关于地理上的有益设想。
6.赤道经纬仪
赤道经纬仪，是清朝制造的八件大型铜铸天文仪器之一，是我国重要的古天文观测仪器。赤道经纬仪于1673年制成，重达2720千克，至今仍完好地保存在北京古观象台的观测平台上。
整个观测部分，由三个大环和一根轴承组成。最外面的大环叫做“子午环”，正南北方向竖立着，两面有刻度盘。中间的圆环南高北低，与天赤道平行，因此叫做“赤道环”。环面上均匀地刻有24个大格，代表24小时，每个大格再分成4个小格，代表15分钟。在赤道环面的中心，垂直地竖立着一根轴承，叫做“极轴”。它与子午环相连，朝上的一点指向北天极，朝下的一点指向南天极，并由南极伸出的两个象限弧支撑着。里面的圆环叫做“赤经环”，还可以绕极轴旋转。
整个观测部分镶嵌在一个半圆云座内，由一条南北正立、昂首修尾的苍龙托起，龙的四只利爪分别抓住下面十字交梁的一端，每端都装有调整仪器水平的螺栓。该仪器主要用于测量恒星以及太阳、月球、行星等天体的位置。
7.黄道经纬仪
黄道经纬仪是清朝制造的八件大型铜铸天文仪器之一，也是我国重要的古天文观测仪器。它重达2752千克，至今也仍完好地保存在北京古观象台的观测平台上。
黄道经纬仪，外层是南北向正立的“子午圈”，子午圈内的一个大圈叫做“极至圈”，用钢轴契合在子午圈的两个极点上，因此叫做“黄道经纬仪”。在极至圈内，套着一个斜躺着的大圈，这个大圈平行于地球绕太阳旋转的黄道，叫做“黄道圈”。黄道圈上刻有度数和黄道十二宫的图案，是黄道经纬仪的基本大圈。有一根垂直于黄道圈面的钢轴，连接黄道南、北两极。最里面的一个圆环，叫做“黄道经圈”，与黄道南、北两极相连，并且可以绕钢轴旋转，圈上也刻有度数。在观测天体时，可根据黄道圈和黄道经圈的刻度，来定出太阳和行星的位置。
整个仪器的观测部分，放置在一个半圆云座内，由两条背向而立的苍龙托起，苍龙的爪子紧紧抓住雕有云纹斜交的十字交梁。
8.象限仪
现存于北京古观象台的象限仪，制造于1673年，它又被叫做地平纬仪，是专门测量天体地平高度的观测仪器。
所谓“地平高度”，就是观测者到某颗星星的视线与地平面的夹角。在天文学上，这一角度叫做“天体地平高度”。
象限仪的下端，是一根方形横梁和一对十字底座，在两个十字底座的交叉点上，各竖起一根高三米多的圆柱，两边均有一条龙扶持，起到装饰和加固双重作用。两根圆柱支撑着一根雕有云纹图案的横梁，一根可以旋转的立轴连接在上下两梁的中间，固定着整个扇形的象限环。象限环内雕有腾云驾雾的巨龙，既增添了仪器的生气，又起着平衡作用。象限环的横边呈水平状，并且与立边垂直，在两边的交叉点处挂有一根游表，贴附在象限环面上。
象限仪铸造精美，在象限弧的中间，铸有一腾云戏珠的苍龙，造型优雅，同时又具有平衡重心的妙用，使整个象限弧的重心落在中心的立轴上。轴的两端是圆的，可以使象限弧垂直于地面自由地旋转。
在象限弧的圆心，立有一个与弧面垂直的横表，长三寸一分。在横表上有一长与象限弧半径相齐的窥衡，可绕圆心在弧面上下移动。在窥衡的下端有一立耳，旁边有游表，如今已遗失。
实际观测时，移动窥衡，使立耳看横表与待测的天体位于一条直线上，这是把窥衡定位，则游表所指的环弧上的刻度，就是该天体的地平高度或天顶距。
古观象台的象限仪，与第谷设计的四种象限仪中的旋转式地平象限仪最为接近，观测方法完全一样，只是在外观设计方面独具特色，采用了中国传统的龙云装饰。
象限仪座，是一个已经废弃不用的星座名。在20世纪早期的星图中，可以在天龙座、武仙座、牧夫座之间找到它。1922年，它和其他一些星座一起被国际天文联合会正式从拥挤的星空中排除，从而确定了今天国际上通行的88个星座。象限仪座则通过一个著名的流星雨记录下了曾经有过这样一个星座名字的历史。
9.日晷
日晷又称“日规”，是古代人利用日影来定时刻的计时器。日晷的种类很多，根据晷面所处位置的不同可分为地平式、赤道式、子午式、卯酉式等多种，功能也不尽相同。
世界上最早的日晷，诞生于六千年前的巴比伦王国。中国最早文献记载，是《隋书·天文志》中提到的袁充于隋开皇十四年（公元574年）发明的短影平仪，即地平日晷。赤道日晷的明确记载，初见于南宋曾敏行的《独醒杂志》卷二中提到的晷影图。
赤道日晷，通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，晷针又叫“表”，石制的圆盘叫做“晷面”。安放在石台上，南高北低，使晷面平行于天赤道面这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。在晷面的正反两面刻画出12个大格，每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面。太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。
这种利用太阳光的投影来计时的方法，是人类在天文计时领域的重大发明，这项发明被人类所用达几千年之久。然而，日晷有一个致命弱点，那就是阴雨天和夜里是无法使用的。直至1270年，在意大利和德国才出现早期的机械钟，而中国则在1601年明代万历皇帝时，才得到两架外国的自鸣钟。清代时虽有很多进口和自制的钟表，但都为王公贵族所用，一般平民百姓还是通过观察天象来推断时间。所以彻底抛却日晷，看钟表知辰光是近现代以来的事。
10.原子钟
原子钟，最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的。物理学家们从来没有想过，这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。
根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的，例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便被用作一种节拍器来记录高度精确的时间。
人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前，世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，因此原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢、铯、铷等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。
其一，铯原子钟
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橘红色的光。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。通常情况下，主要是采用锁定晶体振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地显示出来，并在处于正确频率的微波场处呈现峰值。
铯原子钟又被人们形象地称作“喷泉钟”，因为铯原子钟的工作过程是铯原子像喷泉一样的“升降”。这一运动使得频率的计算更加精确。
其二，全光学原子钟
一项研究结果表明，美国的科学家已经将先进的激光技术和单一的汞原子相结合，从而研制出了世界上最精确的时钟。位于美国科罗拉多州博尔德城的美国国家标准与技术研究所的科学家，研制出了这种新型的以高频不可见光波和非微波辐射为基础的原子钟。由于这种时钟的研制主要是依靠激光技术，因而它被命名为“全光学原子钟”。
我们知道原子时钟的“滴答”来自于原子的转变。在当前的原子钟中，铯原子是在微波频率范围内转变的，而光学转变发生在比微波转变高得多的频率范围，因此它能够提供一个更精细的时间尺度，也就可以更精确地计时。这种新研制出来的全光学原子钟的指针在1秒钟内走动时发出的“滴答”声为一千的五次幂（在1后加15个零所得的数），是现在最高级的时钟—微波铯原子钟的十万倍。所以，用它来测量时间将精确得多。
要制造出这种原子钟，需要有能够捕捉相应离子并将捕捉到的离子足够静止来保证准确的读取数据的技术，同时要能保证在如此高的频率下来准确地计算“滴答”的次数。这种时钟的质量依赖于它的稳定性和准确性，也就是说，这个时钟要提供一个持续不变的输出频率，并使它的测量频率与原子的共振频率相一致。
这一研究的领导者—美国物理学家斯科特·迪达姆斯说：“我们首次展示了这种新一代原子钟的原理，这种时钟可能比目前的微波铯原子钟精确100～1000倍。”它可以计算有史以来最短的时间间隔。科学家们预言这种时钟可以提高航空技术、通信技术，如移动电话和光纤通信技术等的应用水平。同时，这种时钟也可用于调节卫星的精确轨道、外层空间的航空和连接太空船等。
11.水钟
水钟，在中国又叫做“刻漏”、“漏壶”。根据等时性原理，滴水记时有两种方法：一种是利用特殊容器记录把水漏完的时间（泄水型），另一种是底部不开口的容器，记录它用多少时间把水装满（受水型）。中国的水钟，最先是泄水型，后来是泄水型与受水型同时并用或两者合一。自公元85年左右，浮子上装有漏箭的受水型漏壶逐渐流行，甚至到处使用。
水钟是整个古代世界报时的标准方式，它于公元前6世纪传入中国。水钟曾在雅典等城市成为一道常见的景观，如今在这些城市中已发现公元前35年左右建造的“城钟”的遗迹。这种钟的运行由一块浮标控制，当水从底部的一个小出口慢慢流出时，浮标也一点点地下沉。浮标大概与一根圆杆相连接。圆杆在下沉时使指示柄随之移动。通向水井的台阶的磨损程度表明，每天都要给蓄水池倒满水。
希腊世界也拥有较为精致的水钟。亚历山大城的发明家克特西比乌斯，于公元前270年左右，制造的水钟即为一例。这台水钟的水流，由多个活塞进行精确控制，能驱动从响铃和活动木偶到鸣禽等各种自动装置—这或许就是最早的布谷钟。雅典的“风之塔”是天文学家安德罗尼卡于公元前1世纪初所建，顶部有多座日身，内部有一只复杂的水钟，时间在刻度盘上显示，围绕刻度盘转动的圆盘可显示恒星运行和一年中太阳在各星座间运行的轨迹。
后来，伊斯兰世界制造了华丽的水钟。哈里发哈伦·赖世德曾派使臣由巴格达启程，将一台特别精致的水钟送往神圣罗马帝国开国皇帝查理大帝（公元742～814年）的宫廷。11世纪，阿拉伯的工程师在西班牙的托莱多建造了一对大水钟，钟上有两个容器，月满时，水慢慢注满；月缺时，水慢慢排干。这些水钟结构精巧，历经百年而无须校正。
西欧人一直宣称，时钟制造业的第二次飞跃—机械钟的发明是由他们完成的。然而，在这些早期欧洲时钟问世数百年之前，聪明的中国古人，就已经发明了机械钟。我国古人发明机械钟，是为了满足精确记录诸多皇位继承人出生时刻的需要，这样，御用占星家们就能够确定天象对他们的影响，从中挑选最佳者继承皇位。中国人在几个世纪内，开发了更为精确的水钟，其中包括一种不用水而使用水银的停表，但这些水钟仍然不能满足占星家们的特殊需要。
