Wie funktioniert eine Atomuhr?

Die Zeitmessung kann so einfach sein wie das Zählen von „einem Mississippi, zwei Mississippi…“. …. vor dem Blitzen im Hinterhoffootball oder dem Verfolgen der Hin- und Herbewegungen eines Pendels in einer Großvateruhr. Wir erklären Ihnen wie funktioniert eine atomuhr.

In beiden Fällen zählt der Trick die Intervalle von etwas, das wiederholt auftritt, mit so wenig Variationen wie möglich. Ein Pendelschwung, sagen wir, oder ein Mississippi, entspricht etwa einer Sekunde, der Einheit der Zeitmessung, die, wie wir wissen, Minuten und Stunden umfasst.

Aber auch die besten mechanischen Pendel und Uhren auf Quarzbasis entwickeln Diskrepanzen. Weitaus besser für die Zeitmessung ist die natürliche und genaue „Vibration“ in einem energetisierten Atom.

So funktioniert eine Atomuhr

Wenn sie bestimmten Strahlungsfrequenzen, wie beispielsweise Radiowellen, ausgesetzt sind, werden die subatomaren Teilchen, die Elektronen genannt werden, die den Atomkern umkreisen, zwischen den Energiezuständen hin und her „springen“. Uhren, die auf diesem Springen innerhalb von Atomen basieren, können daher eine äußerst präzise Möglichkeit bieten, Sekunden zu zählen.

Kein Wunder also, dass der internationale Standard für die Länge einer Sekunde auf Atomen basiert. Seit 1967 ist die offizielle Definition einer Sekunde 9.192.631.770 Zyklen der Strahlung, die ein Atom des Elements Cäsium dazu bringt, zwischen zwei Energiezuständen zu schwingen.

In einer Cäsiumatomuhr sind die Cäsiumatome in einem Rohr eingekeilt, wo sie durch Radiowellen fließen. Ist diese Frequenz genau richtig 9.192.631.770 Zyklen pro Sekunde, dann „resonieren“ die Cäsiumatome und verändern ihren Energiezustand.

Ein Detektor am Ende des Rohres verfolgt die Anzahl der Cäsiumatome, die es erreichen und deren Energiezustand sich verändert hat. Je feiner die Radiowellenfrequenz auf 9.192.631.770 Zyklen pro Sekunde abgestimmt ist, desto mehr Cäsiumatome erreichen den Detektor.

Der Detektor leitet Informationen zurück in den Funkwellengenerator. Es synchronisiert die Frequenz der Radiowellen mit der Spitzenzahl der Cäsiumatome, die auf sie treffen. Andere Elektroniken in der Atomuhr zählen diese Frequenz. Wie bei einem einzelnen Schwung des Pendels wird eine Sekunde angekreuzt, wenn die Frequenzzahl erreicht ist.

Die Atomuhren erster Qualität aus den 1950er Jahren basierten auf Cäsium, und solche Uhren, die im Laufe der Jahrzehnte präziser geschliffen wurden, sind nach wie vor die Grundlage für die Einhaltung der offiziellen Zeit auf der ganzen Welt.

In den Vereinigten Staaten werden die besten Uhren von den National Institutes of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colo. und dem United States Naval Observatory (USNO) in Washington, D.C. gewartet.

Die Cäsiumatomuhr NIST-F1 kann eine so präzise Frequenz erzeugen, dass ihr Zeitfehler pro Tag etwa 0,03 Nanosekunden beträgt, was bedeutet, dass die Uhr in 100 Millionen Jahren eine Sekunde verlieren würde.

Hochpräzise Zeitmessung ist ein wesentlicher Bestandteil vieler Elemente des modernen Lebens, wie z.B. Hochgeschwindigkeits-Elektronik, Stromnetze und das Global Positioning System (GPS) und natürlich das Wissen, wann Ihre Lieblingsfernsehsendung beginnt.