Warum gehen Atomuhren so genau?

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Ich versuch es mal mit einigen Quellen:


Im Prinzip besteht jede Uhr aus zwei Teilen: einem Taktgeber (Pendel und Unruh oder die Biegeschwingung eines Quarzkristalls) und einem Zählwerk, das die Taktimpulse zählt und ihre Anzahl zur Anzeige bringt. Das besondere einer Atomuhr liegt darin, dass einzelne, freie Atome den Takt angeben. Dabei nutzt man aus, dass den allermeisten physikalischen Theorien zufolge die Energieniveaus der Elektronen von Atomen Naturkonstanten sind. Bei dem Wechsel zwischen zwei Energiezuständen wird elektromagnetische Strahlung absorbiert oder emittiert, deren Frequenz proportional zur Energiedifferenz beider Zustände ist.

Die Idee, ein Vielfaches der Periodendauer einer solchen Strahlung als Zeiteinheit festzulegen, wurde erstmals in den 40er Jahren geäußert. Mitte der 50er Jahre funktionierte die erste Caesium-Atomuhr im Labor, ein paar Jahre später konnte man sie auch kaufen. Atomuhren lassen sich mit verschiedenen Elementen realisieren. Das 133Cs-Isotop erwies sich als besonders geeignet, weil es mit vergleichsweise einfachen Mitteln die Realisierung einer stabilen und genauen Uhr erlaubt. Daher wird die Zeiteinheit im Internationalen Einheitensystem SI seit 1967 von diesem Isotop abgeleitet.

Und so funktioniert eine Caesiumatomuhr: Zunächst wird Caesium in einem Ofen verdampft und in einem Vakuumtank zu einem Atomstrahl gebündelt. Die Atome befinden sich dann in einem der beiden tiefstmöglichen Energiezustände, die das Caesium einnehmen kann.

Anschließend werden die Atome magnetisch sortiert, sodass nur eine Sorte in einen so genannten Hohlraumresonator gelangt. Hier herrscht ein magnetisches Mikrowellenfeld, in dem die Atome mit gewisser Wahrscheinlichkeit ihren Zustand wechseln. Die Atome, die ihren Zustand gewechselt haben, werden registriert. Ihre Anzahl hängt von der Frequenz des Mikrowellenfeldes ab. Sie wird so eingestellt, dass möglichst viele Atome registriert werden. Unter dieser Bedingung ist eine Sekunde nach genau 9 192 631 770 Perioden des Mikrowellenfeldes verstrichen.

Exakt heißt es: "Die Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung".

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@Maximus40

Oder so?


Das Cäsiumatom kann, wie alle Atome, in zwei Energiezuständen vorkommen, nämlich (+) und (-). Der ständige Wechsel des Energiezustandes dieses Cäsiumatoms kann durch elektronische Strahlung mit einer charakteristischen Frequenz erzwungen werden. Die Frequenz des Cäsiumatoms liegt bei einen Wert von 9.192.631.770 Hz. Das bedeutet, innerhalb einer Sekunde wechselt das Cäsiumatom seinen Energiezustand 9.192.631.770 mal. Diese Schwingdauer eines Cäsiumatoms ist zeitlich konstanter als das Schwingen eines Pendels oder die Schwingfrequenz eines Quarzes oder die Periodendauer der Erdrotation. Mehrere dieser Atomuhren werden in Braunschweig von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt betrieben.

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@Mickele1988

Es gibt noch ein Buch, in dem die Uhrzeit Kindern erklärt wird.
Wieso? Weshalb? Warum? - Die Uhr und die Zeit - Angela Weinhold

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In Atomuhren wird die Eigenschaft von Atomen ausgenutzt, beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen (Energieniveaus) elektromagnetische Wellen mit einer charakteristischen Schwingungsfrequenz f0 abstrahlen oder absorbieren zu können. Der Wert von f0 ergibt sich aus der Energiedifferenz beider Zustände, geteilt durch die Planck-Konstante. In Atomuhren werden Übergänge zwischen solchen Energieniveaus verwendet, die eine lange natürliche Lebensdauer besitzen und deren Lage nur wenig von elektrischen und magnetischen Feldern beeinflussbar ist. Geeignete Atome sind z. B. die Alkalien mit ihrer Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustandes. Mehr dazu hier: http://www.uhrzeit.org/technik.html#system

Ist es schlimm, wenn ich nur Bahnhof verstehe? :)

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@Mickele1988

Nein, ist nicht schlimm. Geht wahrscheinlich vielen/den meisten/allen hier so. XD

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@turalo

Hm nun ja ^^ ich kann ja mal nachsehen, ob es das auch verständlicher gibt :)

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@KriLu

Vielleicht ist das besser: Uhren gehen umso genauer, je geringer die Anzahl der physikalischen Faktoren ist, die ihrer Zeitmessung zugrundeliegen. In einem Vakuum verdampft man Caesium-Atome und leitet sie in eine Kammer, deren Eigenresonanz genau abgestimmt ist auf die bewusste Frequenz der Atome. Dort werden sie durch ein künstlich erzeugtes Mikrowellenfeld von ungefähr der erwarteten Frequenz angeregt und nehmen Energie auf. Sie fliegen weiter und geben die aufgenommene Energie wieder ab - jetzt mit der exakten Caesium-Frequenz. Diese wird dann gemessen. Es ist eigentlich mehr ein Spektrum als eine reine Frequenz. Das liegt an der Wärmebewegung der Atome. Die Genauigkeit dieser klassischen Caesiumuhren liegt bei ca. 14 Stellen hinter dem Komma

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@KriLu
hust

ähhh... nee es klingelt immer noch nicht ^^ tut mir leid, wo du dir doch solche Mühe gibst

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@Mickele1988

also ich finde die 2. erklärung um einiges einfacher und logisch, aber vielleicht auch nur, weil mich das thema physik interessiert ^^

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" Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.

Definitionsgemäß ist die Sekunde also das Vielfache der Periode einer Mikrowelle, die mit einem ausgewählten Niveauübergang im Caesiumatom in Resonanz ist. Daher wird sie als Atomsekunde bezeichnet. Atomuhren basieren auf der Messung dieses Übergangs." Quelle Wikipedia

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