Letztes Jahr, 2012, ist es 45 Jahre her, dass die Menschheit beschlossen hat, die atomare Zeitmessung zu nutzen, um die Zeit so genau wie möglich zu messen. Im Jahr 1967 wurde die internationale Zeitkategorie nicht mehr durch astronomische Skalen bestimmt – sie wurden durch das Cäsium-Frequenznormal ersetzt. Er war es, der den heute populären Namen erhielt – Atomuhren. Die genaue Zeit, die Sie damit bestimmen können, weist einen unbedeutenden Fehler von einer Sekunde in drei Millionen Jahren auf, sodass sie in jedem Winkel der Welt als Zeitstandard verwendet werden können.
Ein bisschen Geschichte
Die Idee, Atomschwingungen zur hochpräzisen Zeitmessung zu nutzen, wurde erstmals 1879 vom britischen Physiker William Thomson geäußert. Als Emitter von Resonatoratomen schlug dieser Wissenschaftler die Verwendung von Wasserstoff vor. Erste Versuche, die Idee in die Tat umzusetzen, gab es erst in den 1940er Jahren. zwanzigstes Jahrhundert. Und die weltweit erste funktionierende Atomuhr erschien 1955 in Großbritannien. Ihr Schöpfer war der britische Experimentalphysiker Dr. Louis Essen. Diese Uhr basierte auf Schwingungen von Cäsium-133-Atomen, und dank ihnen konnten Wissenschaftler endlich die Zeit viel genauer als zuvor messen. Essens erstes Gerät erlaubte einen Fehler von nicht mehr als einer Sekunde alle hundert Jahre, aber anschließend erhöhte er sich um ein Vielfaches und der Fehler pro Sekunde kann sich nur in 2-3 Hundertmillionen Jahren ansammeln.
Atomuhr: So funktioniert sie
Wie funktioniert dieses geniale „Gerät“? Als Resonanzfrequenzgenerator nutzen Atomuhren Moleküle oder Atome auf Quantenebene. stellt eine Verbindung zwischen dem System „Atomkern – Elektronen“ mit mehreren diskreten Energieniveaus her. Wenn ein solches System mit einer genau festgelegten Häufigkeit beeinflusst wird, erfolgt der Übergang dieses Systems von einem niedrigen zu einem hohen Niveau. Auch der umgekehrte Vorgang ist möglich: der Übergang eines Atoms von einer höheren auf eine niedrigere Ebene, begleitet von der Abgabe von Energie. Diese Phänomene können kontrolliert und alle Energiesprünge aufgezeichnet werden, indem man so etwas wie einen Schwingkreis erzeugt (man nennt ihn auch Atomoszillator). Seine Resonanzfrequenz entspricht der Energiedifferenz zwischen benachbarten atomaren Übergangsniveaus, dividiert durch das Plancksche Wirkungsquantum.
Ein solcher Schwingkreis hat unbestreitbare Vorteile gegenüber seinen mechanischen und astronomischen Vorgängern. Bei einem solchen Atomoszillator ist die Resonanzfrequenz der Atome jeder Substanz gleich, was bei Pendeln und Piezokristallen nicht der Fall ist. Darüber hinaus verändern Atome ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit nicht und nutzen sich nicht ab. Daher sind Atomuhren äußerst genaue und nahezu ewige Chronometer.
Genaue Zeit und moderne Technologien
Telekommunikationsnetze, Satellitenkommunikation, GPS, NTP-Server, elektronische Transaktionen an der Börse, Online-Auktionen, das Verfahren zum Ticketkauf über das Internet – all diese und viele andere Phänomene sind längst fest in unserem Leben verankert. Aber wenn die Menschheit nicht die Atomuhr erfunden hätte, wäre das alles einfach nicht passiert. Eine genaue Zeitsynchronisierung, mit der Sie Fehler, Verzögerungen und Verzögerungen minimieren können, ermöglicht es einer Person, diese unschätzbare, unersetzliche Ressource, die nie zu viel ist, optimal zu nutzen.
Einen neuen Impuls in der Entwicklung von Geräten zur Zeitmessung gaben Atomphysiker.
1949 wurde die erste Atomuhr gebaut, deren Schwingungsquelle kein Pendel oder Quarzoszillator war, sondern Signale, die mit dem Quantenübergang eines Elektrons zwischen zwei Energieniveaus eines Atoms verbunden waren.
In der Praxis erwiesen sich solche Uhren als nicht sehr genau, außerdem waren sie sperrig und teuer und fanden keine große Verbreitung. Dann wurde beschlossen, sich dem chemischen Element Cäsium zuzuwenden. Und 1955 erschien die erste Atomuhr auf Basis von Cäsiumatomen.
Im Jahr 1967 wurde beschlossen, auf den Atomzeitstandard umzustellen, da sich die Erdrotation verlangsamt und das Ausmaß dieser Verlangsamung nicht konstant ist. Dies behinderte die Arbeit der Astronomen und Zeitbewahrer erheblich.
Die Erde dreht sich derzeit mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 Millisekunden pro 100 Jahre.
Schwankungen in der Tagesdauer erreichen ebenfalls Tausendstelsekunden. Daher ist die Genauigkeit der Greenwich Mean Time (der Weltstandard seit 1884) unzureichend geworden. Im Jahr 1967 erfolgte der Übergang zum Atomzeitstandard.
Heute ist eine Sekunde ein Zeitraum, der genau 9.192.631.770 Strahlungsperioden entspricht, was dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entspricht.
Als Zeitskala wird derzeit die koordinierte Weltzeit verwendet. Es wird vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht durch die Kombination von Daten aus den Zeitmessungslabors verschiedener Länder sowie Daten des Internationalen Erdrotationsdienstes erstellt. Seine Genauigkeit ist fast eine Million Mal besser als die astronomische Greenwich Mean Time.
Es wurde eine Technologie entwickelt, die es ermöglicht, die Größe und die Kosten ultrapräziser Atomuhren radikal zu reduzieren, was ihren breiten Einsatz in mobilen Geräten für verschiedene Zwecke ermöglicht. Wissenschaftlern ist es gelungen, einen atomaren Zeitstandard von ultrakleiner Größe zu schaffen. Solche Atomuhren verbrauchen weniger als 0,075 W und haben einen Fehler von nicht mehr als einer Sekunde in 300 Jahren.
Einem US-Forschungsteam ist es gelungen, einen ultrakompakten Atomstandard zu schaffen. Es wurde möglich, Atomuhren mit herkömmlichen AA-Batterien zu betreiben. Hochpräzise Atomuhren, meist mindestens einen Meter hoch, wurden in einem Volumen von 1,5 x 1,5 x 4 mm untergebracht
In den USA wurde eine experimentelle Atomuhr entwickelt, die auf einem einzelnen Quecksilberion basiert. Sie sind fünfmal genauer als Cäsium, das als internationaler Standard anerkannt ist. Cäsiumuhren sind so genau, dass eine Differenz von einer Sekunde erst nach 70 Millionen Jahren erreicht wird, bei Quecksilberuhren beträgt dieser Zeitraum 400 Millionen Jahre.
Im Jahr 1982 mischte sich ein neues astronomisches Objekt, ein Millisekundenpulsar, in den Streit zwischen der astronomischen Definition des Zeitstandards und der Atomuhr ein, die ihn gewann. Diese Signale sind so stabil wie die besten Atomuhren
Wissen Sie?
Die erste Uhr in Russland
Im Jahr 1412 wurde in Moskau im Hof des Großherzogs hinter der Verkündigungskirche eine Uhr aufgestellt, und Lazar, ein serbischer Mönch, der aus dem serbischen Land stammte, fertigte sie an. Leider ist die Beschreibung dieser ersten Uhren in Russland nicht erhalten.
________Wie entstanden die Glockenspiele auf dem Spasskaja-Turm des Moskauer Kremls?
Im 17. Jahrhundert fertigte der Engländer Christopher Galovey das Glockenspiel für den Spasskaja-Turm: Der Stundenkreis war in 17 Sektoren unterteilt, der einzige Uhrzeiger war bewegungslos, zeigte nach unten und zeigte auf eine beliebige Zahl auf dem Zifferblatt, aber das Zifferblatt selbst drehte sich.
Oft hören wir den Satz, dass Atomuhren immer die genaue Zeit anzeigen. Anhand ihres Namens ist jedoch schwer zu verstehen, warum Atomuhren am genauesten sind und wie sie funktionieren.
Dass im Namen das Wort „atomic“ vorkommt, bedeutet keineswegs, dass die Uhr lebensgefährlich ist, auch wenn einem sofort Gedanken an eine Atombombe oder ein Atomkraftwerk in den Sinn kommen. In diesem Fall sprechen wir nur vom Prinzip der Uhr. Wenn in gewöhnlichen mechanischen Uhren Zahnräder Schwingungsbewegungen ausführen und ihre Bewegungen gezählt werden, werden in Atomuhren Schwingungen von Elektronen im Inneren von Atomen gezählt. Um das Funktionsprinzip besser zu verstehen, erinnern wir uns an die Physik der Elementarteilchen.
Alle Stoffe unserer Welt bestehen aus Atomen. Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen verbinden sich zu einem Kern, der auch Nukleon genannt wird. Elektronen bewegen sich um den Kern herum, der unterschiedliche Energieniveaus haben kann. Das Interessanteste ist, dass ein Elektron bei der Aufnahme oder Abgabe von Energie von seinem Energieniveau auf ein höheres oder niedrigeres Energieniveau wechseln kann. Ein Elektron kann Energie aus elektromagnetischer Strahlung erhalten, indem es bei jedem Übergang elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Frequenz absorbiert oder emittiert.
Am häufigsten sind es Uhren, bei denen Atome des Elements Cäsium -133 zur Veränderung eingesetzt werden. Wenn in 1 Sekunde das Pendel herkömmliche Uhren macht 1 oszillierende Bewegung, dann die Elektronen in Atomuhren Basierend auf Cäsium-133 emittieren sie beim Übergang von einem Energieniveau zum anderen elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 9192631770 Hz. Es stellt sich heraus, dass eine Sekunde in genau diese Anzahl von Intervallen unterteilt ist, wenn man sie in Atomuhren berechnet. Dieser Wert wurde 1967 von der internationalen Gemeinschaft offiziell übernommen. Stellen Sie sich ein riesiges Zifferblatt vor, auf dem es nicht 60, sondern 9192631770 Unterteilungen gibt, die nur 1 Sekunde lang sind. Es ist nicht verwunderlich, dass Atomuhren so genau sind und eine Reihe von Vorteilen haben: Atome altern nicht, nutzen sich nicht ab und die Schwingungsfrequenz ist für ein chemisches Element immer gleich, wodurch ein gleichzeitiger Vergleich möglich ist , zum Beispiel die Ablesungen von Atomuhren weit im Weltraum und auf der Erde, keine Angst vor Fehlern.
Dank Atomuhren konnte die Menschheit in der Praxis die Richtigkeit der Relativitätstheorie testen und sicherstellen, dass dies auf der Erde der Fall ist. Atomuhren sind auf vielen Satelliten und Raumfahrzeugen installiert, sie werden für Telekommunikationszwecke verwendet, für die mobile Kommunikation vergleichen sie die genaue Zeit auf dem gesamten Planeten. Ohne Übertreibung war es der Erfindung der Atomuhr zu verdanken, dass die Menschheit in das Zeitalter der Hochtechnologie eintreten konnte.
Wie funktionieren Atomuhren?
Cäsium-133 wird durch verdampfende Cäsiumatome erhitzt, die durch ein Magnetfeld geleitet werden, wo Atome mit den gewünschten Energiezuständen ausgewählt werden.
Anschließend passieren die ausgewählten Atome ein Magnetfeld mit einer Frequenz nahe 9192631770 Hz, wodurch ein Quarzoszillator entsteht. Unter dem Einfluss des Feldes ändern die Cäsiumatome erneut ihren Energiezustand und fallen auf den Detektor, der festlegt, wann die größte Anzahl ankommender Atome den „richtigen“ Energiezustand haben wird. Die maximale Anzahl von Atomen mit einem geänderten Energiezustand zeigt an, dass die Frequenz des Mikrowellenfelds richtig gewählt wurde und ihr Wert dann in ein elektronisches Gerät eingespeist wird – einen Frequenzteiler, der die Frequenz um eine ganze Zahl reduziert die Zahl 1, die die Referenzsekunde ist.
So werden die Cäsiumatome verwendet, um die korrekte Frequenz des vom Quarzoszillator erzeugten Magnetfelds zu überprüfen und so zu dessen Konstanthaltung beizutragen.
Das ist interessant: Obwohl die heute existierenden Atomuhren beispiellos genau sind und Millionen von Jahren fehlerfrei laufen können, werden die Physiker damit nicht aufhören. Mithilfe von Atomen verschiedener chemischer Elemente arbeiten sie kontinuierlich daran, die Genauigkeit von Atomuhren zu verbessern. Von den neuesten Erfindungen – Atomuhren auf Strontium, die dreimal genauer sind als ihr Cäsium-Pendant. Es würde 15 Milliarden Jahre dauern, bis sie auch nur eine Sekunde zurückbleiben würden – eine Zeit, die länger ist als das Alter unseres Universums …
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Atomuhr 27. Januar 2016
Die Schweiz oder gar Japan werden nicht der Geburtsort der weltweit ersten Taschenuhr mit integriertem Atomzeitstandard sein. Die Idee zu ihrer Kreation entstand im Herzen Großbritanniens bei der in London ansässigen Marke Hoptroff
Atomuhren, auch „Quantenuhren“ genannt, sind Geräte, die die Zeit mithilfe natürlicher Schwingungen messen, die mit Prozessen auf der Ebene von Atomen oder Molekülen verbunden sind. Richard Hoptroff entschied, dass es für moderne Herren, die sich für High-Tech-Geräte interessieren, an der Zeit sei, ihre mechanischen Taschenuhren gegen etwas Extravaganteres und Außergewöhnlicheres auszutauschen, das auch den modernen urbanen Trends entspricht.
So wurde der Öffentlichkeit eine elegante Taschen-Atomuhr Hoptroff Nr. gezeigt. 10, das die moderne Generation, die von einer Fülle von Gadgets verführt wird, nicht nur mit seinem Retro-Stil und seiner fantastischen Genauigkeit, sondern auch mit seiner Lebensdauer überraschen kann. Laut den Entwicklern können Sie mit dieser Uhr mindestens 5 Milliarden Jahre lang der pünktlichste Mensch bleiben.
Was kann man sonst noch Interessantes über sie erfahren ...
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Für alle, die sich noch nie für solche Uhren interessiert haben, lohnt es sich, kurz das Funktionsprinzip zu beschreiben. Im Inneren des „Atomgeräts“ gibt es nichts, was einer klassischen mechanischen Uhr ähnelt. In Hoptroff Nr. 10 Es gibt keine mechanischen Teile als solche. Stattdessen sind Atomtaschenuhren mit einer versiegelten Kammer ausgestattet, die mit einer radioaktiven gasförmigen Substanz gefüllt ist und deren Temperatur durch einen speziellen Ofen kontrolliert wird. Der genaue Zeitpunkt ist wie folgt: Laser regen die Atome eines chemischen Elements an, das eine Art „Füller“ der Uhr darstellt, und der Resonator erfasst und misst jeden Atomübergang. Das Grundelement solcher Geräte ist heute Cäsium. Wenn wir uns an das SI-Einheitensystem erinnern, dann hängt darin der Wert einer Sekunde mit der Anzahl der Perioden elektromagnetischer Strahlung beim Übergang von Cäsium-133-Atomen von einem Energieniveau zum anderen zusammen.
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Gilt bei Smartphones der Prozessorchip als Herzstück des Geräts, so gilt bei Hoptroff Nr. 10 Diese Rolle übernimmt der Modulgenerator der Referenzzeit. Er wird von Symmetricom geliefert und der Chip selbst war ursprünglich auf den Einsatz in der Militärindustrie ausgerichtet – in unbemannten Luftfahrzeugen.
Die CSAC-Atomuhr ist mit einem temperaturgesteuerten Thermostat ausgestattet, der eine Cäsiumdampfkammer enthält. Unter dem Einfluss eines Lasers auf Cäsium-133-Atome beginnt deren Übergang von einem Energiezustand in einen anderen, für dessen Messung ein Mikrowellenresonator verwendet wird. Seit 1967 definiert das Internationale Einheitensystem (SI) eine Sekunde als 9.192.631.770 Perioden elektromagnetischer Strahlung, die beim Übergang zwischen zwei Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entstehen. Vor diesem Hintergrund ist eine technisch genauere Uhr auf Cäsiumbasis kaum vorstellbar. Aufgrund der jüngsten Fortschritte in der Zeitmessung werden mit der Zeit neue optische Uhren, die auf einem mit ultravioletter Frequenz (100.000-fachen Mikrowellenfrequenz von Cäsiumuhren) pulsierenden Aluminiumion basieren, hunderte Male genauer sein als Atomchronometer. Um es einfach auszudrücken: Hoptroffs neue Taschenuhr Nr. 10 hat eine Genauigkeit von 0,0015 Sekunden pro Jahr, 2,4 Millionen Mal besser als die COSC-Standards.
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Auch die funktionale Seite des Geräts grenzt an Fantasie. Damit können Sie Folgendes herausfinden: Uhrzeit, Datum, Wochentag, Jahr, Breiten- und Längengrad in verschiedenen Werten, Druck, Luftfeuchtigkeit, Sternstunden und -minuten, Gezeitenvorhersage und viele andere Indikatoren. Die Uhr ist in Gold erhältlich, das Edelmetallgehäuse soll per 3D-Druck hergestellt werden.
Richard Hoptrof ist der festen Überzeugung, dass diese spezielle Produktionsoption für seinen Nachwuchs die vorzuziehende ist. Um die Designkomponente des Designs geringfügig zu ändern, ist es nicht notwendig, die Produktionslinie überhaupt umzubauen, sondern dafür die funktionale Flexibilität des 3D-Druckgeräts zu nutzen. Es ist zwar erwähnenswert, dass der gezeigte Prototyp der Uhr auf klassische Weise hergestellt wurde.
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Zeit ist heutzutage sehr kostbar und die Taschenuhr Hoptroff Nr. 10 ist eine direkte Bestätigung dafür. Nach vorläufigen Informationen wird die erste Charge nuklearer Geräte 12 Einheiten umfassen, und was die Kosten betrifft, wird der Preis für ein Exemplar 78.000 US-Dollar betragen.
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Laut Richard Hoptroff, Geschäftsführer der Marke, spielte Hoptroffs Londoner Wohnsitz eine Schlüsselrolle bei der Idee. „In unseren Quarzwerken verwenden wir ein hochpräzises Schwingsystem mit GPS-Signal. Aber im Zentrum von London ist es nicht so einfach, genau dieses Signal zu erkennen. Einmal, während eines Ausflugs zum Greenwich Observatory, sah ich dort eine Atomuhr von Hewlett Packard und beschloss, mir über das Internet etwas Ähnliches zu kaufen. Und ich konnte es nicht. Stattdessen stieß ich auf Informationen über einen Symmetricon-Chip und nach drei Tagen des Nachdenkens wurde mir klar, dass er perfekt für eine Taschenuhr geeignet wäre.“
Bei dem Chip handelt es sich um die Cäsium-Atomuhr SA.45s (CSAC), eine erste Generation von Miniatur-Atomuhren für GPS-Empfänger, Rucksackradios und Drohnen. Trotz seiner bescheidenen Abmessungen (40 mm x 34,75 mm) ist es unwahrscheinlich, dass es in eine Armbanduhr passt. Deshalb entschied sich Hoptroff, ein eher solides Taschenmodell (82 mm Durchmesser) damit auszustatten.
Hoptroff No 10 (das zehnte Uhrwerk der Marke) ist nicht nur die genaueste Uhr der Welt, sondern behauptet auch, das erste Goldgehäuse zu sein, das mithilfe der 3D-Drucktechnologie hergestellt wurde. Hoptroff ist sich noch nicht sicher, wie viel Gold für die Herstellung des Gehäuses benötigt wird (die Arbeiten am ersten Prototyp waren bei Redaktionsschluss abgeschlossen), er geht jedoch davon aus, dass die Kosten „mindestens mehrere tausend Pfund“ betragen werden. Und mit all dem Forschungs- und Entwicklungsaufwand, der für die Entwicklung des Produkts erforderlich ist (denken Sie an die Gezeitenfunktion für harmonische Konstanten für 3.000 verschiedene Häfen), würde man davon ausgehen, dass der endgültige Verkaufspreis bei etwa 50.000 £ liegt.
Goldgehäuse des Modells Nr. 10 am Ausgang des 3D-Druckers und in fertiger Form
Käufer werden automatisch Mitglied eines exklusiven Clubs und müssen eine schriftliche Verpflichtung unterzeichnen, den Atomuhrenchip nicht als Waffe zu verwenden. „Dies ist eine der Bedingungen unseres Vertrags mit dem Lieferanten“, erklärt Herr Hoptroff, „denn der Atomchip wurde ursprünglich in Raketenleitsystemen eingesetzt.“ Nicht viel dafür, eine Uhr mit einwandfreier Ganggenauigkeit zu bekommen.
Den glücklichen Besitzern der No.10 von Hoptroff steht weit mehr als nur eine hochpräzise Uhr zur Verfügung. Das Modell dient auch als Taschennavigationsgerät und ermöglicht mit einem einfachen Sextanten die Bestimmung des Längengrades auf eine Seemeile genau, selbst nach vielen Jahren auf See. Das Modell erhält zwei Zifferblätter, das Design eines davon wird jedoch noch geheim gehalten. Das andere ist ein Wirbelsturm von Zählern, die bis zu 28 Komplikationen anzeigen: von allen möglichen chronometrischen Funktionen und Kalenderanzeigen bis hin zu Kompass, Thermometer, Hygrometer (ein Gerät zur Messung der Luftfeuchtigkeit), Barometer, Breiten- und Längengradzählern und einem Höhenindikator / Ebbe. Ganz zu schweigen von den wichtigen Indikatoren für den Zustand des Atomthermostats.
Hoptroff plant die Einführung einer Reihe neuer Produkte, darunter eine elektronische Version der legendären komplizierten Space Traveler-Uhr von George Daniels. Derzeit wird daran gearbeitet, die Bluetooth-Technologie in die Uhr zu integrieren, um die persönlichen Daten des Trägers zu speichern und eine automatische Anpassung von Komplikationen wie der Mondphasenanzeige zu ermöglichen.
Wenn das Licht plötzlich ausgeht und etwas später wieder angeht, woher wissen Sie dann, wie spät die Uhr eingestellt werden muss? Ja, ich spreche von elektronischen Uhren, die wahrscheinlich viele von uns haben. Haben Sie schon einmal darüber nachgedacht, wie die Zeit reguliert wird? In diesem Artikel erfahren wir alles über Atomuhren und wie sie die ganze Welt ticken lassen.
Atomuhren zeigen die Zeit besser an als jede andere Uhr. Sie geben die Zeit besser an als die Rotation der Erde und die Bewegung der Sterne. Ohne Atomuhren wäre die GPS-Navigation unmöglich, nicht synchronisiert und die Position der Planeten wäre für Raumsonden und Fahrzeuge nicht mit ausreichender Genauigkeit bekannt.
Atomuhren sind nicht radioaktiv. Sie verlassen sich nicht auf den Atomzerfall. Darüber hinaus verfügen sie wie normale Uhren über eine Feder. Der größte Unterschied zwischen Standarduhren und Atomuhren besteht darin, dass Schwingungen bei Atomuhren im Atomkern zwischen den umgebenden Elektronen auftreten. Man kann diese Schwingungen bei einer Aufzugsuhr kaum als parallel zur Unruh bezeichnen, aber beide Schwingungsarten können genutzt werden, um die vergehende Zeit im Auge zu behalten. Die Schwingungsfrequenz innerhalb eines Atoms wird durch die Masse des Kerns, die Schwerkraft und die elektrostatische „Feder“ zwischen der positiven Ladung des Kerns und der ihn umgebenden Elektronenwolke bestimmt.
Welche Arten von Atomuhren kennen wir?
Heutzutage gibt es verschiedene Arten von Atomuhren, die jedoch auf den gleichen Prinzipien basieren. Der Hauptunterschied hängt mit dem Element und den Mitteln zur Erkennung von Änderungen des Energieniveaus zusammen. Unter den verschiedenen Arten von Atomuhren gibt es folgende:
- Cäsium-Atomuhren mit Strahlen aus Cäsiumatomen. Die Uhr trennt Cäsiumatome mit unterschiedlichen Energieniveaus durch ein Magnetfeld.
- Eine Wasserstoff-Atomuhr hält die Wasserstoffatome in einem Behälter, dessen Wände aus einem speziellen Material bestehen, auf dem richtigen Energieniveau, damit die Atome ihren Hochenergiezustand nicht zu schnell verlieren.
- Rubidium-Atomuhren, die einfachste und kompakteste von allen, verwenden eine mit Rubidiumgas gefüllte Glaszelle.
Die genauesten Atomuhren nutzen heute ein Cäsiumatom und ein herkömmliches Magnetfeld mit Detektoren. Darüber hinaus werden Cäsiumatome durch Laserstrahlen zurückgehalten, wodurch kleine Frequenzänderungen aufgrund des Doppler-Effekts reduziert werden.
Wie funktionieren Atomuhren auf Cäsiumbasis?
Atome haben eine charakteristische Schwingungsfrequenz. Ein bekanntes Beispiel für die Häufigkeit ist das orangefarbene Leuchten von Natrium in Speisesalz, wenn es ins Feuer geworfen wird. Das Atom hat viele verschiedene Frequenzen, einige im Radiobereich, einige im sichtbaren Spektrum und einige dazwischen. Cäsium-133 wird am häufigsten für Atomuhren verwendet.
Um die Resonanz von Cäsiumatomen in einer Atomuhr hervorzurufen, muss einer der Übergänge oder die Resonanzfrequenz genau gemessen werden. Dies geschieht üblicherweise durch Blockieren des Kristalloszillators in der fundamentalen Mikrowellenresonanz des Cäsiumatoms. Dieses Signal liegt im Mikrowellenbereich des Radiofrequenzspektrums und hat die gleiche Frequenz wie die Signale von Direktübertragungssatelliten. Ingenieure wissen, wie man Geräte für diesen Bereich des Spektrums bis ins kleinste Detail herstellt.
Um eine Uhr zu erzeugen, wird Cäsium zunächst erhitzt, sodass die Atome verdampfen und durch eine Hochvakuumröhre gelangen. Zunächst durchlaufen sie ein Magnetfeld, das Atome mit dem gewünschten Energiezustand auswählt; Anschließend durchlaufen sie ein intensives Mikrowellenfeld. Die Frequenz der Mikrowellenenergie springt in einem schmalen Frequenzband hin und her, sodass sie irgendwann eine Frequenz von 9.192.631.770 Hertz (Hz oder Zyklen pro Sekunde) erreicht. Der Bereich des Mikrowellenoszillators liegt bereits nahe an dieser Frequenz, da er von einem präzisen Quarzoszillator erzeugt wird. Wenn ein Cäsiumatom Mikrowellenenergie der gewünschten Frequenz empfängt, ändert es seinen Energiezustand.
Am Ende der Röhre trennt ein weiteres Magnetfeld die Atome, die ihren Energiezustand geändert hätten, wenn das Mikrowellenfeld die richtige Frequenz hätte. Der Detektor am Ende der Röhre gibt ein Ausgangssignal proportional zur Anzahl der auftreffenden Cäsiumatome ab und erreicht seinen Höhepunkt, wenn die Mikrowellenfrequenz hinreichend wahr ist. Dieses Spitzensignal wird zur Korrektur benötigt, um den Quarzoszillator und damit das Mikrowellenfeld auf die gewünschte Frequenz zu bringen. Diese gesperrte Frequenz wird dann durch 9.192.631.770 geteilt, um den bekannten Impuls pro Sekunde zu erhalten, den die reale Welt benötigt.
Wann wurde die Atomuhr erfunden?
Im Jahr 1945 schlug der Physikprofessor der Columbia University, Isidore Rabi, eine Uhr vor, die mit in den 1930er Jahren entwickelten Techniken hergestellt werden könnte. Es wurde der Magnetresonanz-Atomstrahl genannt. 1949 kündigte das National Bureau of Standards die Schaffung der weltweit ersten Atomuhr auf Basis des Ammoniakmoleküls an, dessen Schwingungen abgelesen werden konnten, und 1952 wurde die weltweit erste Atomuhr auf Basis von Cäsiumatomen, NBS-1, geschaffen.
1955 baute das National Physical Laboratory in England die erste Uhr, die einen Cäsiumstrahl als Kalibrierungsquelle verwendete. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts wurden fortschrittlichere Uhren geschaffen. Im Jahr 1967, während der 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht, wurde die SI-Sekunde anhand der Schwingungen im Cäsiumatom bestimmt. Im weltweiten Zeitmesssystem gab es keine bessere Definition als diese. NBS-4, die stabilste Cäsiumuhr der Welt, wurde 1968 fertiggestellt und war bis 1990 in Betrieb.
Im Jahr 1999 begann NBS, umbenannt in NIST, mit der NIST-F1-Uhr zu arbeiten, die alle 20 Millionen Jahre auf eine Sekunde genau war. 
Wie wird die Atomzeit gemessen?
Die richtige Frequenz für die Resonanz eines Cäsiumteilchens liegt heute international bei 9.192.631.770 Hertz. Die Division der Ausgangsleistung durch diese Zahl sollte also 1 Hz oder 1 Zyklus pro Sekunde ergeben.
Die Genauigkeit der Zeitmessung ist im Vergleich zu astronomischen Methoden millionenfach. Heute verliert es in fünf Milliarden Jahren eine Sekunde.
