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Technik kurz erklärt Die Entwicklung der Atomuhr

| Autor: M.A. Bernhard Richter

In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir jede Woche ein Meisterwerk der Konstruktion vor. Heute: Die Atomuhr

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Louis Essen (rechts) und Jack Parry (links), die Väter der ersten (nutzbaren) Atomuhr stehen neben der ihrer Cäsium-133-Atomuhr.
Louis Essen (rechts) und Jack Parry (links), die Väter der ersten (nutzbaren) Atomuhr stehen neben der ihrer Cäsium-133-Atomuhr.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Eine Atomuhr ist eine Uhr die die Elektronen-Übergangsfrequenz im optischen oder ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums der Atome als Frequenznormal für ihr Zeitmesselement verwendet. Sprich: die Uhr misst das elektromagnetische Signal, das Elektronen in Atomen aussenden, wenn sie ihr Energieniveau ändern.

Atomuhren sind die am genauesten laufenden Zeitmessgeräte und werden als Standard für internationale Zeitansagen, zur Steuerung der Wellenfrequenz von Fernsehsendungen und in globalen Satellitennavigationssystemen wie GPS verwendet.

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Idee schon im 19. Jahrhundert

Die Idee, Elektronen-Übergänge zur Zeitmessung zu nutzen, wurde schon 1879 von Lord Kelvin vorgeschlagen. Die in den 1930er Jahren von Isidor Rabi entwickelte Magnetresonanzverfahren wurde die praktische Methode dafür. Vor der Entwicklung der Atomuhren war die Riefler Präzisionspendeluhr die präziseste Uhr mit einer Ganggenauigkeit von ±4×10−4s/Tag. Die erste dieser Uhren erhielt die Universitäts-Sternwarte München am 27. Juli 1891. Sie war in über 150 Sternwarten weltweit im Einsatz. Insgesamt wurden bis 1965 davon 635 Exemplare hergestellt. Bis heute ist sie die präziseste mechanische Uhr geblieben.

1945 schlug Rabi dann erstmals öffentlich vor, das Magnetresonanzverfahren als Grundlage für eine Uhr zu verwenden.

Die erste Atomuhr war 1949 ein Gerät, dass die Schwingungen Ammoniak-Molekülen bei 23870,1 MHz als Schwingungsquelle nutzt. Sie war weniger genau als bis dato existierende Quarzuhren, diente aber zur Demonstration des Konzepts.

Die erste genaue Atomuhr, die auf dem Übergang des Cäsium-133-Atoms basierte, wurde 1955 von Louis Essen und Jack Parry am National Physical Laboratory in Großbritannien gebaut.

Erste kommerzielle Atomuhr

Seit Beginn der Entwicklung in den 1950er Jahren basieren Atomuhren auf den Hyperfeinstrukturübergängen in Wasserstoff-1, Cäsium-133 und Rubidium-87. Die erste kommerzielle Atomuhr war die Atomichron, die von der National Company hergestellt wurde. Zwischen 1956 und 1960 wurden mehr als 50 davon verkauft. Dieses sperrige und teure Instrument wurde später durch viel kleinere, in einem Gestell montierbare Geräte ersetzt.

Neue Atomuhr noch genauer

Die derzeit besten Atomuhren gehen in 30 Milliarden Jahren nur um eine einzige Sekunde falsch. Eine neuartige Atomuhr, die auf Energieveränderungen im Kern des Isotops Thorium-229 basiert, könnte diese Präzision noch um eine ganze Größenordnung übertreffen.

Im Unterschied zu gewöhnlichen Atomuhren dienen bei sogenannten Kernuhren nicht Schwingungen in der Elektronenhülle von Atomen als Taktgeber, sondern Schwingungen im Atomkern selbst. Hervorgerufen werden die Schwingungen durch Übergänge zwischen Energieniveaus, die bei Atomuhren mit Lasern erzeugt werden. Allerdings liegen die in Atomkernen vorherrschenden Energien um mehrere Größenordnungen über denen der Atomhülle, deshalb können Kerne mit heutigen Lasern normalerweise nicht angeregt werden.

Der einzige mögliche Kandidat für die Entwicklung einer Kernuhr ist Thorium-229, da dieses Isotop das bei weitem niedrigste angeregte Energieniveau aller derzeit bekannten etwa 3800 Atomkerne besitzt. Für seine Anregung reicht ultraviolette Strahlung aus, die mit Lasern produziert werden kann.

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Über den Autor

M.A. Bernhard Richter

M.A. Bernhard Richter

Redakteur Online/Print/Video, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht