Techniklexikon

Atomuhr

Liefert das genaueste Zeitnormal, auf das der Mensch zurückgreifen kann, zunächst in Form einer Normalfrequenz (Frequenz), aus der Sekunden- und Minutensignale abgeleitet werden. Als grundlegendes Normal wurde 1964 die »Atomzeit« eingeführt, definiert durch einen ganz bestimmten Energiesprung der Elektronen eines Cäsium133Atoms. Die diesem Sprung entsprechende atomare Eigenfrequenz wird von einem Quarzoszillator (Quarzuhr) angeregt und beträgt 9 192 631 770 Hz (Frequenz). Standard zur Zeit- und Frequenzmessung seit 1964. Das Prinzip ist eine Anwendung der Atomstrahl-Resonanzmethode. nach Rabi (Rabi-Experiment) bzw. der Ramsey-Interferenzmethode. Dabei wird der Übergang zwischen den Zeeman-Unterzuständen (Zeeman-Effekt) der Hyperfeinstrukturzustände 6S_1/2, F = 3, m_F = 0 und 6S_1/2, F = 4, m_F = 0 des Cäsium-Isotops ¹³³Cs untersucht (s. Termschema in Abb. 1). Der prinzipielle Aufbau einer Atomuhr ist in Abb. 2 dargestellt. Atome aus einem Cs-Ofen werden durch ein erstes inhomogenes Magnetfeld A bezüglich ihres Hyperfeinstrukturzustands selektiert, d.h. Atome im Zustand F = 3, m_F = 0 werden von denen im Zustand F = 4, m_F = 0 getrennt. In einem zweiten inhomogenen Magnetfeld B werden die Atome, die die Wechselwirkungszone im Zustand F = 4, m_F = 0 verlassen, auf einen Detektor gelenkt. Die Wechselwirkungszone ist eine Anordnung nach Ramsey, in der in einem homogenen Magnetfeld durch zwei Radiofrequenzsender Übergänge von dem Zustand F = 4, m_F = 0 in den Zustand F = 3, m_F = 0 induziert werden. Die Frequenz des Übergangs liegt bei 9,192631770 GHz. Diese Frequenz wird von einem Quarz-Oszillator erzeugt und in die Wechselwirkungszone eingekoppelt. Die Frequenz des Quartz-Oszillators wird dann über einen Rückkoppelkreis auf das Minimum am Detektor stabilisiert und so auf der Frequenz des atomaren Übergangs stabil gehalten. Die relative Unsicherheit der Zeitmessung mit diesem Verfahren liegt bei ca. 10 ^{- 13}, d.h. eine solche Uhr hätte nach ca. 300000 Jahren eine Unsicherheit der Zeitmessung von einer Sekunde.

Atomuhr 1: Termschema der Hyperfeinzustände 6S_1/2 von ¹²²Cs.

Atomuhr 2: Aufbau.