Die exakte Uhrzeit der Atomuhr für Deutschland

 
 

Erklärung

Die Atomuhr ist eine sogenannte primäre Uhr. Dies bedeutet, dass sie die genauste Zeitangabe aller Uhren besitzt. Normale Armbanduhren besitzen eine fortschreitende Abweichung zur tatsächlichen Uhrzeit von ca. einer Sekunde pro Tag. Solche Abweichungen sind in der Wissenschaft untragbar. Heutige Versionen hingegen besitzen lediglich eine Abweichung von einer Sekunde in einer Million Jahren. Anfang 2012 wurde von US-Forschern sogar eine atomare Primaruhr erschaffen, welche eine Abweichung von einer Sekunde auf 140 Milliarden Jahren erreicht.

Somit sind Atomuhren die Richtwerte für sämtliche Uhren auf der Welt, seien es Funkuhren, die Fernsehzeitdarstellung oder Steuereinheiten der Industrie. Meist werden diese Uhren jedoch nur stundenweise aktualisiert, wodurch es trotzdem zu geringen Abweichungen kommen kann.

Funktionsweise einer Atomuhr

Einfach gesagt, ist eine Atomuhr gleichermaßen aufgebaut wie jede andere Uhr auf der Welt. Sie funktioniert auf Grundlage eines Taktgebers und eines Zählwerkes. Doch statt eines Pendels oder einer Unruh, sind die Taktgeber Cäsium-Atome.

Die Cäsium-Atome werden zunächst in einer ofenähnlichen Kammer verdampft und zu einem Atomstrahl gebündelt. Durch diesen Vorgang erreichen die Cäsium-Atome jeweils einen von zwei möglichen Zuständen, den sie auch ohne fremde Einwirkung nicht mehr ändern.

Der Atomstrahl trifft daraufhin auf ein Magnetfeld, welches die Atome nach ihrem Zustand separiert, sodass der Atomstrahl nur noch den gewünschten Zustand enthält (in der Grafik durch blaue Kreise dargestellt).

Die schematische Darstellung wie eine Atomuhr funktioniert
Ausgangssituation: Keine Mikrowellenstrahlung im Resonator; kein Atom veränderten seinen Zustand.

Der nächste notwendige Schritt ist die „bereinigten“ Atome im Strahl dazu zu bringen ihren Zustand zu ändern, damit diese Zustandsänderungen gezählt werden können. Nötig dafür ist die Einwirkung von Mikrowellenstrahlung. Diese Mikrowellenstrahlung hat eine frei wählbare Frequenz, welche man selbst im sogenannten Resonator einspeisen kann.

Ziel des Resonators ist eine Mikrowellenfrequenz zu erzeugen, welche möglichst exakt bei der Eigenfrequenz des Cäsium-Atomstrahls liegt. Denn dadurch werden am meisten Zustandswechsel bei den Cäsium-Atome erzeugt.

Mikrowellenstrahlung verändert den Zustand der Atome in der Atomuhr.
Durch die Mikrowellenstrahlung ändern die Cäsium-Atome ihren Zustand und werden vom Zählwerk erfasst.

Um diese möglichst übereinstimmende Frequenz der Mikrowellenstrahlung zu ermitteln, muss also darauf geachtet werden, bei welcher eingestellten Frequenz am meisten Cäsium-Atome ihren Zustand gewechselt haben. Dies geschieht mittels eines Zählwerkes, welches am Ende des Atomsstrahls platziert ist. Damit in diesem Zähler nur die Atome mit dem neuen veränderten Zustand eintreffen (in der Grafik mit Orange dargestellt), werden die Atome mit dem alten unerwünschten Zustand (Blau dargestellt) durch ein zweites Magnetfeld vom Zähler weggelenkt.

Zählwerk erfasst das Maximum an Zustandsänderungen, somit wurde die richtige Frequenz gefunden
Frequenz wird solange verändert bis das Zählwerk die maximale Anzahl an Zustandsänderungen wahrnimmt.

Durch diesen Aufbau würde man darauf kommen, dass genau bei 9.192.631.770 Hz die meisten Atome ihren Zustand wechseln. Die Einheit Hz besagt, dass nach 9.192.631.770 Schwingungen eine Sekunde vergangen ist.

Quellen: Planet Schule PTB Wikipedia

Die Geschichte zur Enstehung der Atomzeit

Die Geschichte der Atomuhr beginnt im Jahre 1945, als der US-amerikanische Physiker Isidor Rabi nach seiner Forschung zum Magnetresonanzverfahren den Bau einer Uhr anregte.

Bereits im Jahr 1949 wurde solch eine Uhr im National Bureau of Standards durch Harold Lyons entwickelt und vorgestellt. Anders als heutige atomare Uhren verwendete die damalige Uhr, statt Cäsium-Atomen, Ammoniak-Moleküle als Quelle für den Schwingungsgeber.

Schnell erkannte man aber, dass die gewünschte Genauigkeit mit den Ammoniak-Molekülen nicht erreicht wurde. Aus diesem Grund wurden 1952 bei der Weiterentwicklung der Atomuhr erstmals Cäsium-Atome verwendet. Diese Uhr erhielt den Namen NBS-1.

Darstellung der ersten Atomuhr NBS-1 mit Cäsiumatomen.
Foto der Atomuhr NBS-1

Einige Jahre später (1955) wurde in Großbritannien von den Physikern Louis Essen und J. V. L. Parry eine neue Cäsium-Atomuhr entwickelt, welche bis dahin die genauste Zeitangabe von allen lieferte. Diese noch nie dagewesene Genauigkeit war auch der Grund dafür, dass diese primären Uhren die Zeitdauer einer Sekunde international definierte.

Die Definition lautet: "Die Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung." Diese definierte Sekunde nennt man Atomsekunde und die Zeit welche durch die Atomsekunde festgelegt wird, wird Atomzeit genannt.

Im Jahre 1969 wurde in Braunschweig in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (Abk.: PTB) die Atomuhr CS1 in Betrieb genommen. Nur neun Jahre später wird durch das Zeitgesetz vom 26.07.1978 die gesetzliche Zeitbestimmung an das PTB und somit an die CS1 übergeben.

1985 wird eine weitere Cäsium-Atomuhr, namens CS2 in Braunschweig in Betrieb genommen, welche ab dem Jahr 1991 für die gesetzliche Zeitbestimmung verantwortlich ist. Die CS2 liefert bis heute allen Funkuhren und dem Internet die exakte Uhrzeit.

Quelle: Geschichte der Atomuhren der NIST

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