원자(분자)의 고유공명주파수(固有共嗚周波數)를 기준으로 하는 가장 정밀한 시계. 원자(분자)의 에너지는 고유의 띄엄띄엄한 일정값을 취하며, 어떤 에너지 W₁의 상태에서 다른 값 W₂로 바뀔 때 보어의 진동수 조건 (h는 플랑크 상수)로 주어지는 공병주파수 v₀의 전자파를 방출 또는 흡수한다.

이 현상을 이용하는 것이 원자시계인데, 외부영향이 없는 자유로운 원자(분자)에서의 ν₀는 일정불변이다.

그러나 실제 시계에서는 일반적으로 이와 같은 이상적 조건이 만족되지 않으며 ν₀의 어긋남과 공명선폭(共嗚線幅)의 벌어짐 등이 일어나 원자시계 주파수의 정확성과 안정도(일정성의 정도)가 손상된다.

원자시계는 원자(분자)의 공명선(共嗚線 ; 共嗚特性)의 이용 방법에 따라 흡수형과 발진형(發振型)의 두 방식으로 분류된다.

전자에서는 수정발진기(水晶發振器)의 출력주파수를 체배(遞倍)하여 공명선의 중심주파수 (ν₀) 근방의 마이크로파를 발생하고 이것을 공동공진기(空洞共振器)로 이끌어서 그 속에 가두어 넣은 원자(분자)에 마이크로파의 공명흡수를 일으키게 한다.

공명검출기(共嗚檢出器)에서는 여진(勵振)마이크로파주파수와 ν₀의 차에 비례하는 오차신호(誤差信號)가 출력으로 나온다.

이 신호를 이용하여 수정 발진기의 주파수를 ν₀와 일정한 관계로 고정시키면 안정된 시계를 얻을 수 있다.

후자의 방식은 공명에 관계하는 고저(高低)의 두 에너지 상태 중 높은 쪽의 원자(분자)만을 선별하여 ν₀에 동조한 공동공진기로 이끈다.

그러면 자연의 마이크로파(잡음)가 방아쇠가 되어 원자(분자)에서 에너지의 방출(유도방출)이 일어나 그 결과 공동내에서 ν₀의 발진이 지속된다.