Atomuhren erklärt
Geschrieben von Richard N Williams on April 20th, 2009
Ist eine Atomuhr radioaktiv?
An Atomuhr hält die Zeit besser als jede andere Uhr. Sie halten sogar die Zeit besser als die Rotation der Erde und die Bewegung der Sterne. Ohne die Atomuhr wäre eine GPS-Navigation unmöglich, das Internet würde nicht synchronisiert und die Position der Planeten wäre nicht genau genug bekannt, um Raumsonden und Lander zu starten und zu überwachen.
Eine Atomuhr ist nicht radioaktiv, sie beruht nicht auf Atomzerfall. Vielmehr hat eine Atomuhr genau wie gewöhnliche Uhren eine oszillierende Masse und eine Feder.
Der große Unterschied zwischen einer Standarduhr in Ihrem Haus und einer Atomuhr besteht darin, dass die Oszillation in einer Atomuhr zwischen dem Kern eines Atoms und den umgebenden Elektronen liegt. Diese Oszillation ist nicht genau eine Parallele zu Unruh und Spirale einer Uhr, aber Tatsache ist, dass beide Oszillationen nutzen, um die verstreichende Zeit im Auge zu behalten. Die Schwingungsfrequenzen innerhalb des Atoms werden durch die Masse des Kerns und die Schwerkraft und die elektrostatische "Feder" zwischen der positiven Ladung auf dem Kern und der ihn umgebenden Elektronenwolke bestimmt.
Was sind die Arten der Atomuhr?
Heute, obwohl es verschiedene Arten von Atomuhren gibt, bleibt das Prinzip hinter ihnen allen gleich. Der Hauptunterschied besteht in dem verwendeten Element und dem Mittel zum Erkennen, wann sich das Energieniveau ändert. Die verschiedenen Arten von Atomuhren umfassen:
Die Cäsium-Atomuhr verwendet einen Strahl von Cäsiumatomen. Die Uhr trennt Cäsiumatome verschiedener Energieniveaus durch ein Magnetfeld.
Die Wasserstoffatomuhr hält Wasserstoffatome in einem Behälter mit Wänden aus einem speziellen Material auf dem erforderlichen Energieniveau, so dass die Atome nicht zu schnell ihren höheren Energiezustand verlieren.
Die Rubidium-Atomuhr, die einfachste und kompakteste von allen, verwendet eine Rubidiumgas-Glaszelle, die ihre Lichtabsorption auf der optischen Rubidiumfrequenz ändert, wenn die umgebende Mikrowellenfrequenz genau richtig ist.
Die genaueste kommerzielle Atomuhr, die heute verfügbar ist, verwendet das Cäsiumatom und die normalen Magnetfelder und Detektoren. Zusätzlich werden die Cäsiumatome daran gehindert, durch Laserstrahlen hin und her zu zappen, wodurch kleine Frequenzänderungen aufgrund des Doppler-Effekts reduziert werden.
Wann wurde die Atomuhr erfunden? Atomuhr
In 1945 schlug der Physikprofessor der Columbia Universität, Isidor Rabi, vor, dass eine Uhr aus einer Technik hergestellt werden könnte, die er in den 1930s namens Atomstrahl-Magnetresonanz entwickelte. Von 1949, dem National Bureau of Standards (NBS, jetzt das National Institute of Standards and Technology, NIST) kündigte die weltweit erste Atomuhr an, bei der das Ammoniakmolekül als Quelle der Vibrationen diente, und von 1952 wurde die erste Atomuhr angekündigt, die Cäsiumatome als Schwingungsquelle, NBS-1, verwendet.
In 1955, dem Nationalen Physikalischen Labor (NPL) In England wurde die erste Cäsium-Atomuhr als Kalibrierungsquelle gebaut. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts wurden fortschrittlichere Formen der Atomuhren geschaffen. In 1967 definierte die 13th Generalkonferenz für Gewichte und Maße die SI-Sekunde auf der Grundlage von Schwingungen des Cäsiumatoms; das Zeitmesssystem der Welt hatte zu diesem Zeitpunkt keine astronomische Basis mehr! NBS-4, die stabilste Cäsium-Atomuhr der Welt, wurde in 1968 fertiggestellt und wurde als Teil des NPL-Zeitsystems in die 1990s integriert.
In 1999 begann NPL-F1 mit einer Unbestimmtheit von 1.7-Teilen in 10 bis zur 15th-Leistung oder einer Genauigkeit von etwa einer Sekunde in 20 Millionen Jahren, was es zur genauesten Atomuhr aller Zeiten macht (eine Unterscheidung mit einem ähnlichen Standard in Paris).
Wie wird die Atomuhrzeit gemessen?
Die korrekte Frequenz für die jeweilige Cäsiumresonanz wird nun durch internationale Vereinbarung als 9,192,631,770 Hz definiert, so dass, wenn sie durch diese Zahl geteilt wird, die Ausgabe genau 1 Hz oder 1-Zyklus pro Sekunde ist.
Die durch die moderne Cäsium-Atomuhr (die gebräuchlichste Art) erreichbare Langzeitgenauigkeit ist besser als eine Sekunde pro eine Million Jahre. Die Wasserstoffatomuhr zeigt eine bessere Kurzzeitgenauigkeit (eine Woche), ungefähr 10 mal die Genauigkeit einer Cäsiumatomuhr. Daher hat die Atomuhr die Genauigkeit der Zeitmessung um etwa eine Million Mal im Vergleich zu den mit astronomischen Methoden durchgeführten Messungen erhöht.
Synchonisierung zu einer Atomuhr
Der einfachste Weg zur Synchronisation mit einer Atomuhr ist die Verwendung von dedizierter NTP-Server. Diese Geräte empfangen entweder das GPS ataomic Taktsignal oder Radiowellen von Orten wie NIST oder NPL.
Dieser Beitrag wurde geschrieben von Richard N Williams
Richard Williams N ist ein technischer Autor und Spezialist für die NTP-Server und Zeitsynchronisation-Industrie. Richard Williams N auf Google+
