Atomuhren beruhen auf chemischen und thermischen Vorgängen und gehen ganz exakt. Sie sind allerdings sehr groß, zu groß für Armbanduhren.
Aus den Strahlungsübergängen von Elektronen freier Atome leitet sich der Zeittakt dieser Uhren ab. Die Übergänge dieser Strahlungsfrequenz ist konstant. Daher sind die Atomuhren die genauesten Uhren.
Die Zeitdauer einer Sekunde wird seit dem Jahre 1967 im Einheitensystem einer Hyperfeinstruktur-Strahlungsfrequenz des 133 Cäsiums definiert. Die Bureau International des Poids legt die Internationale Atomzeit als Referenzzeit aus den Messwerten von über 260 Atomuhren aus über 60 verteilten Instituten fest. Die Energieunterschiede zwischen den verschiedenen Zuständen der Hyperfeinstruktur wird für die Atomuhren genutzt. Der so genannte Mikrowellen-Resonator ist der Hauptbestandteil der Atomuhr. In diesem werden die Übergänge zwischen jeweils zwei Hyperfeinstrukturkomponenten und einer Referenzuhr induziert.
Die Referenzuhr regelt sich nach, wenn die Einstrahlungs-Quantenenergie, welche durch die Referenzuhr erzeugt wird, von der Übergangsfrequenz abweicht. So wird die verringerte Absorption des Mikrowellenresonators detektiert. Eine temperaturkompensierte Quarzuhr ist meist die Referenzuhr. Die gängigsten Atome, mit denen Atomuhren betrieben werden, sind Cäsium, Rubidium und Wasserstoff. Auf CS-Atomen basieren zur Zeit die besten Atomuhren. Mit thermisch abgebremsten Atomen wird meist bei den neueren Atomuhren gearbeitet. Diese erhöhen die Genauigkeit. Dazu werden Cäsiumatome in der Cäsium Fontäne stark abgekühlt. So sind diese nur noch ca. einen Zentimeter pro Sekunde schnell. Mittels eines Lasers werden dann die langsamen Atome nach oben beschleunigt. Dabei durchlaufen sie eine ballistische Flugbahn. Die ermöglichen das Verlängern der effektiven Wechselwirkungsdauer mit den eingestrahlten Mikrowellen. Die Frequenzbestimmung wird dadurch genauer bestimmt.
Zur praktischen Anwendung werden auch preiswertere, kleinere und leichtere sowie auch energiesparende Uhren für Satelliten, Raketen sowie Drohnen entwickelt. Auch von Satellitennavigationssystemen wie GPS, GLONASS oder Galileo werden Atomuhren in den Satelliten benutzt. Sie ermöglichen die Erhöhung der Positionsgenauigkeit. 2003 gelang der Bau einer Rubidiumatomuhr. Deren Volumen nahm lediglich 40 cm ³ ein und verbrauchte gerade mal einen Watt an Strom. Die Abweichung der Uhren beträgt gerade mal eine Sekunde in 10.000 Jahren. Diese Uhr ist damit zwar ungenauer als die großen stationären, aber wesentlich genauer als eine Quarzuhr.
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