ATOMUHR

Atomuhr,

 

eine für Zeit- und Frequenzmessungen höchster Genauigkeit sowie für genaue Zeithaltung (Primäruhr in Zentraluhranlagen) verwendete Hochfrequenzapparatur. In dieser ruft ein Hochfrequenzfeld bestimmter Frequenz in geeigneten Atomen oder (bei einer Moleküluhr) in geeigneten Molekülen durch Resonanzabsorption Atom- beziehungsweise Molekülschwingungen oder -übergänge hervor, deren Resonanzfrequenz dann als Vergleichsmaß dient. In der Regel wird eine solche von äußeren Einflüssen (v. a. der Temperatur) praktisch unabhängige Atomuhr zur Frequenzkontrolle und Steuerung einer angeschlossenen Quarzuhr benutzt.

 

Bei der bereits 1949 entwickelten Ammoniakuhr (Ammoniakmoleküluhr) wird die Frequenz 23 870,4 MHz einer Ammoniakmolekülschwingung mit der Frequenz von (in einem Klystron erzeugten) Mikrowellen verglichen, die durch einen mit Ammoniakgas unter niedrigem Druck gefüllten Hohlraumresonator geschickt und maximal absorbiert werden, wenn beide Frequenzen übereinstimmen.Ändert sich die Schwingquarzfrequenz, aus der durch Frequenzvervielfachung die Mikrowellenfrequenz gewonnen wird, gegenüber ihrem Sollwert, so nimmt die Absorption im Resonanzgefäß ab; aus der hindurchgelassenen Mikrowellenenergie wird eine Steuerspannung gewonnen, die den Quarzoszillator mit einer Genauigkeit von 3 · 10^-9 wieder einregelt.

 

Noch höhere Genauigkeit ergeben die mit Molekülstrahlmasern (Maser) als frequenzbestimmender Resonanzeinrichtung ausgestatteten Atom- oder Moleküluhren. Hierzu gehören die Ammoniakstrahluhr (mit einem Ammoniakmolekülstrahlmaser der Resonanzfrequenz 23 870 MHz) und die 1960 von N. F. Ramsay entwickelte Wasserstoffuhr, in deren Wasserstoffmolekülstrahlmaser der zur 21-cm-Linie gehörende Hyperfeinstrukturübergang (Frequenz etwa 1,42 GHz) ausgenutzt wird. Sie wurde in den USA zu einer Genauigkeit von 10^-14 und besser vervollkommnet, was einer Abweichung von nur 1 s in 3 Mio. Jahren entspricht. Große praktische Bedeutung als sekundäre Normale haben die Rubidiumuhren (Rubidiumdampfnormale), bei denen in einem mit Rubidiumdampf gefülltem Gaszellenresonator durch optisches Pumpen ein Hyperfeinstrukturübergang in ⁸⁷Rb-Atomen angeregt wird. Die langzeitig genauesten und daher als Frequenznormale zur Neudefinition der Zeiteinheit Sekunde verwendeten Atomuhren sind die Cäsiumuhren (Cäsiumatomstrahluhren), bei denen in einer Atomstrahlresonanzapparatur ein Vergleich mit der Frequenz 9 192 631 770 Hz eines bestimmten Hyperfeinstrukturübergangs von Cäsiumatomen des Nuklids ¹³³Cs stattfindet; sie haben eine Genauigkeit von mindestens 10^-12, d. h. in 10 000 Jahren nur einen Fehler von 0,3 s. Die zurzeit genaueste Atomuhr ist das an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) befindliche Cäsiumstrahl-Zeitnormal mit einer Ungenauigkeit von einer Sekunde in 3 Mio. Jahren.

 

Die Genauigkeit der Atomuhr erlaubt es, z. B. geringe Schwankungen der Erdrotation festzustellen und Aussagen der Relativitätstheorie zu überprüfen (u. a. Nachweis der Zeitdilation mit in Flugzeugen transportierten Atomuhren). Darüber hinaus sind Atomuhren für die Navigation und Ortung von Schiffen, Flugzeugen und Satelliten von Bedeutung.

 

Literatur:

 

B. Fischer: Eigenschaften von A. u. ihre Verwendung bei der Zeitskalenherstellung (1991).