von Jörg Behrens (Wikipedia)

Atomuhren werden heutzutage immer wichtiger, da die Zeit sehr genau bestimmt werden muss. In der Forschung reicht hier schon lange nicht mehr die Zeitskala der Sekunden aus. Die Pendeluhren mit ihren Zahnrädern und auch Quarzuhren schaffen nicht die Präzision die gebraucht wird. Daher werden Atomuhren eingesetzt. Die meisten Atomuhren bestehen aus dem Isotop  ^{133} Cäsium. Die Uhren die man als normaler Mensch bei sich trägt, beruhen aber nach wie vor auf anderen Techniken. Auch die Funkuhren sind bei weitem nicht so genau, da in der Regel nur jede Stunde die Zeit über ein Funksignal nachgestellt wird. Doch nun wollen wir uns mal mit der Atomuhr und deren Funktionsweise beschäftigen.

Funktionsweise der Atomuhr

Eine Uhr besteht im Prinzip immer aus zwei Teilen, einem Taktgeber und einem Zählwerk. Früher war der Taktgeber eben ein Pendel oder ein Quarzkristall, heute macht man sich Übergänge zwischen Hyperfeinstrukturzuständen zu nutze. Über solche Übergänge wird auch seit dem Jahr 1967 eine Sekunde definiert. Bei den Atomuhren kommt also kein Pendel oder sonstiges zum Einsatz, sondern nur freie Atome. Diese freien Atome geben den Takt an. Dabei beruht das Prinzip der Atomuhr auf grundlegenden physikalischen Prinzipien. Das Ganze hängt am Ende auch nur von Naturkonstanten ab. Dadurch kann auch die hohe Präzision der Atomuhren erreicht werden.

Definition der Sekunde

In der heutigen Zeit ist man in der Lage die Sekunde sehr genau zu definieren. Dies war früher nicht immer möglich. Seit 1967 ist die Sekunde als das 9 192 631 770 fache der Periodendauer der entsprechenden elektromagnetischen Strahlung, die das  ^{133} Cäsium-Atom im Grundzustand der beiden Hyperfeinstrukturen aussendet, definiert. Davor war die Sekunde als der\frac{1}{86.400} Teil eines mittleren Sonnentages definiert.

Funktionsprinzip der Cäsium Atomuhr

Kommen wir nun zu dem genauen Funktionsprinzip der Cäsiumatomuhr.  ^{133} Cäsium wird dabei in einem Ofen verdampft und zu einem Strahl gebündelt.  Die Röhre muss außerdem evakuiert werden, damit sich keine Fremdatome darin befinden, die die Periodendauer verfälschen würden. Das Cäsium befindet sich im energetisch günstigsten Zustand, dem Grundzustand. Durch verschiedene physikalische Eigenschaften, spaltet der Grundzustand auf und die Hyperfeinstruktur wird sichtbar. Nun kann es dort Übergänge geben und elektromagnetische Strahlung absorbiert oder emittiert werden. Von alleine passiert aber nichts, daher werden von außen externe Mikrowellen eingestrahlt. Wenn die Frequenz der Mikrowellen exakt der mit der Übergangsfrequenz der beiden Hyperfeinniveaus übereinstimmt kommt es zur Emission oder Absorption. Da man aber nur eines der beiden Effekte haben möchte, braucht man noch eine Polarisator. Dieser besteht aus einem starken inhomogenen Magnetfeld, ähnlich wie beim Stern Gerlach Versuch. Nun kann man die Perioden zählen und weiß genau, wann eine Sekunde vergangen ist.

Genauigkeit von Atomuhren

Die oben beschriebene Cäsium Uhr hat eine relative Standardabweichung von ca.  10^{-13} Sekunden. Das sind 0,0000000000001 Sekunden. Dies ist sehr wenig. Mit Wasserstoff wird sogar eine Genauigkeit von  10^{-15} erreicht. Besser sind nur noch die optischen Atomuhren, welche nochmals zwei Größenordnungen genauer sind. Am weitesten verbreitet ist aber nach wie vor die Cäsium-Atomuhr, da diese relativ einfach zu bauen ist. Jährlich werden ca. 200 von diesen Uhren weltweit gebaut.

 

Bildquelle: Jörg Behrens von Wikipedia

, , , , ,
Trackback

only 1 comment untill now

  1. [...] in der Theorie, denn die Uhren in den Navis gehen dafür nicht genau genug. Im Satelliten laufen Atomuhren, diese sind sehr präzise, aber in den normalen Navigationsgeräten könnte man sich das nie [...]

Add your comment now

Diese Website nutzt Cookies, um bestmögliche Funktionalität bieten zu können. Mehr Informationen

Diese Website nutzt Cookies, um bestmögliche Funktionalität bieten zu können.

Close