原子虽然很小，但它内部却是一个复杂的世界。每个原子都有一个原子核，核外分层排列着高速运转的电子。电子不断地围绕着原子核做旋转运动，有时在离核较近的地方运转，有时则在离核较远的地方运转。
根据电子绕核旋转状态不同，我们说原子处于不同的状态，在每一状态下，原子具有一定的内部能量，但原子状态的变化是不连续的，这些不连续的能量称为能级。原子可以自发地从高能级跃迁到低能级，同时辐射一个电磁量子，这种跃迁叫做自发跃迁；原子或分子也可以在受到x光、可见光或其他种类的电磁辐射激发时，从一个低能级跃迁到一个高能级并吸收一个电磁量子，或者从高能级跃迁到低能级同时辐射一个电磁量子，这种跃迁叫做受激跃迁。不同能级之间的跃迁产生不同振荡频率的电磁波。若使原子在某两个固定的能级之间跃迁，那么电磁波的振荡频率是极为稳定的。于是人们像制造摆钟那样，把原子套到时钟上，利用它的振荡做出了原子钟。
铯原子的最外层只有一个电子，它容易受影响而跃迁，因此，早在20世纪40年代科学家就开始了铯原子钟的研制。1955年英国制造了世界上第一台铯原子钟，到80年代末，大铯钟已经能准确到一天仅差十亿分之几秒。但这么准的大铯钟为数很少，只有美国、德国和加拿大有，其他国家的大铯钟每年约差百万分之一秒。大铯钟虽然准，但体积太大，不容易制造和管理。因此，很多天文台倾向使用小铯钟，它只有17英寸电视机那么大，使用和管理都很方便，且很少出现故障。我国在20世纪70年代自行研制出大铯钟，80年代制造出小铯钟。
学过化学的人都知道，氢是最简单的元素，它只有一个电子围绕着原子核转动，电子很容易激发跃迁，发射比较单纯的无线电波，用它发出的波做成的钟应该是最准的钟。可惜这只是理论，实际上却很难做到。人们虽然研制出氢钟，但不能作为时间标准用，只能说它是一种较好的钟。它的优点是在几十秒到几小时里能保持极准确和稳定的时间，在这一点上，氢钟比其他原子钟都好。
