Atomuhr

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Braunschweig PTB-Atomuhr CS2
Braunschweig PTB-Atomuhr CS 4 (2012)
Zentraleinheit einer Atomuhr in einer Glasröhre. Ehemals aus der PTB in Braunschweig

Atomuhr [1]

Inhaltsverzeichnis

Eine Atomuhr ist eine Uhr, deren Zeittakt (meist ein Mikrowellensignal) mit atomaren Schwingungszuständen abgeglichen wird. Da die Frequenz solcher Schwingungen konstant ist und sehr genau bestimmt werden kann, sind Atomuhren die bislang genauesten gebauten Uhren.

Atomuhren dienen neben der exakten Zeitmessung von Abläufen auch der genauen Zeitbestimmung und der Koordinierung zwischen verschiedenen Zeitsystemen und -skalen. So entsteht etwa durch Abgleich der international bestimmten Atomzeit (TAI) mit der astronomischen Zeit (UT1) die Koordinierte Weltzeit (UTC).

Aus den Messwerten von über 260 Atomuhren an über 60 weltweit verteilten Instituten legt das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) in Paris (Frankreich) die Internationale Atomzeit (TA) als Referenzzeit fest.

Das Zeitsignal für die Bundesrepublik Deutschland wird mittels einer Caesium-Atomuhr in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig erzeugt. Das Signal wird über den Langwellensender Mainflingen (In der Nähe von Frankfurt am Main) mit einem Radius von etwa 1.500 km gesendet. Die Ganggenauigkeit beträgt 1 Sekunde Abweichung in einer Million Jahren.

Geschichte und Entwicklungen

Louis Essen und J. V. L. Parry zeigen die Caesiumuhr

Aufbauend auf seine in den 1930er Jahren durchgeführten Untersuchungen zu Magnetresonanzverfahren, regte 1945 der US-amerikanische Physiker Isidor Isaac Rabi den Bau einer Atomuhr an. Die erste Atomuhr wurde 1946 von Willard Frank Libby vorgestellt, eine weitere wurde 1949 im National Bureau of Standards (NBS) in den Vereinigten Staaten unter Verwendung von Ammoniak-Molekülen als Schwingungsquelle von Harold Lyons konstruiert. Da sie aber noch nicht den erhofften Genauigkeitsgewinn erbrachte, wurde die Uhr drei Jahre später überarbeitet und auf die Verwendung von Caesiumatomen umgerüstet.[2] Sie erhielt den Namen NBS-1.

1955 folgte dann eine noch genauere Caesiumuhr vom Physiker Louis Essen und J. V. L. Parry am National Physical Laboratory in Großbritannien.

Aufgrund der hervorragenden Gangergebnisse dieser Uhren wurde die Atomzeit als internationaler Standard für die Sekunde definiert. Seit Oktober 1967 beträgt die Zeitdauer einer Sekunde im internationalen Einheitensystem per Definition […] das 9.192.631.770fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.[3]

Im Laufe der Jahre wurde die Genauigkeit der Atomuhren immer wieder verbessert. Bis Ende der 1990er Jahre wurde eine relative Standardabweichung zur idealen SI-Sekunde von etwa 5·10−15 erreicht , Anfang 2015 bereits 5·10−18.[4]

Hochpräzise Atomuhren

Caesium, Rubidium, Wasserstoff und neuerdings Strontium sind die gängigsten Atome, mit denen Atomuhren betrieben werden. Die Tabelle stellt ihre Eigenschaften gegenüber. Zum Vergleich sind die Werte für einen beheizten Schwingquarz, den sogenannten Quarzofen (OCXO), sowie Ammoniak mit aufgenommen.

Typ Arbeitsfrequenz
in MHz
relative Standardabweichung
typischer Uhren
Quarzofen (OCXO) 5 bis 10 üblich 10−8
NH3 23 786 10−11
133Cs 9 192,631 77 10−13
87Rb 6 834,682 610 904 324[5] 10−15
1H 1 420,405 751 77 10−15
Optische Atomuhr (87Strontium) 429 228 004,229 874 10−17

Weiterführende Informationen

Quellen

  1. Atomuhr wikipedia de
  2. A Brief History of Atomic Clocks at NIST
  3. Die Geschichte der Zeiteinheit - Die Sekundendefinition von 1967
  4. [Systematic evaluation of an atomic clock at 2 × 10−18 total uncertainty; Autioren: T.L. Nicholson, S.L. Campbell, R.B. Hutson, G.E. Marti, B.J. Bloom, R.L. McNally, W. Zhang, M.D. Barrett, M.S. Safronova, G.F. Strouse, W.L. Tew, J. Ye: . In: Nature Communications. Bd. 6, 21 April 2015,]
  5. BIPM-Dokument (PDF; 207 kB)

Weblinks

Literatur

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