Studium, Ausbildung und Beruf

web uni-protokolle.de
 powered by
NachrichtenLexikonProtokolleBücherForenSamstag, 21. Oktober 2017 

Atomuhr


Dieser Artikel von Wikipedia ist u.U. veraltet. Die neue Version gibt es hier.

Eine Atomuhr ist eine Uhr deren Zeittakt (meist ein Mikrowellensignal ) mit atomaren Schwingungszuständen abgeglichen wird. Da Frequenz solcher Schwingungen konstant ist und sehr bestimmt werden kann sind Atomuhren die bislang gebauten Uhren. Aus den Messwerten von über Atomuhren von über 60 weltweit verteilten Instituten das "Bureau International des Poids et Mesure" BIPM ) in Paris die "Internationale Atom Zeit" TAI ) als Referenzzeit fest.

Funktionsweise einer Atomuhr

Als atomarer Übergang wird häufig der Hyperfeinstruktur -Übergang F =4 m F =0 → F =3 m F =0 des 2 S 1/2 -Grundzustandes eines 133 Cäsium -Atomes verwendet. Dieser Übergang hat eine Frequenz 9 192631770 GHz . 1967 wurde die SI -Einheit Sekunde über diesen Wert festgelegt.

Solange die Temperatur des Cäsiums nicht niedrig ist (in der Größenordnung 1 mK ) sind beide Zustände etwa gleich besetzt. den Übergang messen zu können muss einer Zustände selektiert werden. Das geschieht entweder dadurch man einen Atomstrahl durch ein starkes inhomogenes schickt oder durch optisches Pumpen mit Laserlicht .

Der zweite Hauptbestandteil einer Atomuhr ist Mikrowellenresonator in dem Übergänge zwischen den beiden stattfinden können. Nach der Wechselwirkung mit dem wird schließlich die Besetzung des anfangs ausselektierten gemessen. Wenn die Frequenz des Mikrowellenresonators mit Übergangsfrequenz übereinstimmt erhält man ein Signal-Maximum.

In neueren Atomuhren arbeitet man mit Cäsium-Atomen um die Genauigkeit zu erhöhen. In "Cäsium-Fontäne" werden Cäsiumatome zunächst stark abgekühlt so sie nur noch etwa einen Zentimeter pro schnell sind. (Im thermischen Atomstrahl sind es 100 Meter pro Sekunde.) Die langsamen Atome dann mit einem Laser nach oben beschleunigt durchlaufen eine ballistische Flugbahn (deswegen der Ausdruck Fontäne ) hierdurch kann die effektive Wechselwirkungsdauer der mit den eingestrahlten Mikrowellen verlängert werden was exaktere Frequenzbestimmung erlaubt. Die Gangunsicherheit einer herkömmlichen beträgt etwa 1·10 -14 (1 Sekunde Abweichung in 3 Millionen die einer Cäsium-Fontäne liegt nur bei etwa -15 (1 Sekunde Abweichung in 30 Millionen

Neben Cäsium werden auch Rubidium Wasserstoff und andere Atome oder Moleküle für verwendet. Um größere Genauigkeiten zu erreichen was ist um physikalische Experimente genauer durchführen zu können werden zur Experimente mit Elementen gemacht die geeignete Übergänge optischen Wellenlängen haben. Hierdurch erreicht man Frequenzen hunderten Tera hertz an Stelle der herkömmlichen 10 GHz. diesen Experimenten werden einzelne Ionen in einer Paul-Falle gespeichert und ein Laser wird auf schmalbandigen Übergang (meist ein Quadrupol- oder Oktupolübergang) Die technische Herausforderung dabei ist es die Laserfrequenz auf elektronisch messbare Frequenzen herunterzudividieren. Hierzu am Max-Planck-Institut für Quantenoptik ein Verfahren entwickelt.

In Deutschland sind mehrere Atomuhren bei Physikalisch-Technischen Bundesanstalt ( PTB ) in Braunschweig in Betrieb darunter auch Cäsium-Fontäne im Regelbetrieb. Von dort erhalten in alle Funkuhren über den Sender DCF77 ihr Signal.

Eine andere Entwicklungslinie neben den hochpräzisen verfolgt den Bau preiswerterer kleinerer leichterer und Uhren z.B. für den Einsatz in Satelliten Raketen oder Drohnen . Satellitennavigationssyteme wie GPS GLONASS oder (zukünftig) Galileo benutzen Atomuhren in ihren Satelliten um ihre hochgenaue Zeit die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen. Jahr 2003 ist es gelungen eine Rubidiumatomuhr bauen die nur ein Volumen von 40 3 einnimmt und eine Leistung von einem verbraucht. Dabei erreicht sie eine Gangunsicherheit von 3·10 -12 . Das entspricht einer Abweichung von einer in 10.000 Jahren und damit ist die zwar deutlich ungenauer als die großen stationären erheblich genauer als eine Quarzuhr (Genauste Quarzuhren haben eine Abweichung von Sekunde in einem Monat verglichen mit diesen diese kleine Atomuhr 120.000 mal genauer). Bei in Satelliten wirken sich fünf Relativistische Effekte auf die Zeitgenauigkeit aus.

Mitlerweile gibt es privat gebaute Atomuhren. Network Time Protocol (NTP) stellen zahlreiche Atomuhren ihre Zeitimpulse im Internet zur Verfügung.

Geschichte

  • 1930er Isidor Isaac Rabi Chemiker und Physiker forscht an der Columbia University USA an den magnetischen Eigenschaften der Kristalle.
  • 1944 I.I. Rabi (USA) bekommt den Nobelpreis für Physik "für die von ihm zur Aufzeichnung magnetischen Eigenschaften von Atomkernen entdeckte Resonanzmethode"
  • 1945 I.I. Rabi Physikprofessor an der Columbia University in der USA schlägt eine Uhr die diese Resonanzmethode nutzt.
  • 1949 Die erste Atomuhr wird mit Rabis durch das National Institute of Standards and Technology ( NIST ) in den USA gebaut und verwendet als Schwingungsquelle.
  • 1955 Die erste Cäsium-basierte Atomuhr wird vom Laboratorium in Teddington England in Betrieb genommen.
  • 1958 Die ersten kommerziellen Cäsium-Atomuhren kommen zum von US-$20 000 auf den Markt.
  • Oktober 1967 Die Sekunde wird international über das durch die 13. Generalkonferenz für Maß und (CGPM) definiert.
  • 1969 An der PTB in Deutschland wird die erste Atomuhr (Caesium-Eins) in Betrieb genommen.
  • Oktober 1971 Die Notwendigkeit der Definition einer "International Time" TAI als Refernenz wird durch die 14. für Maß und Gewicht festgestellt. Die TAI durch das BIPM in Paris verwaltet und tritt am 1972 in Kraft.
  • Juli 1974 Der erste Satellit hat eine Atomuhr Bord es ist der dritte Satellit des (Time Navigation) Projektes des Naval Center for des Naval Research Laboratory (NRL) in der und wird geleitet vom Roger Easton. Dies ein Vorläuferprojekt des GPS-Projektes.
  • 22.02. 1978 Der erste Navstar/ GPS -Satellit wird mit einer "Atlas F"-Rakete von USA gestartet.
  • 12.10. 1982 - Der erste GLONASS Satellit wird von der UdSSR gestartet.
  • 1999 Eine Atomuhr der neuesten Generation (Cäsium-Fontäne) an der PTB in Betrieb genommen.

Weblinks




Bücher zum Thema Atomuhr

Dieser Artikel von Wikipedia unterliegt der GNU FDL.

ImpressumLesezeichen setzenSeite versendenSeite drucken

HTML-Code zum Verweis auf diese Seite:
<a href="http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Atomuhr.html">Atomuhr </a>