ein Leser aus Amorbach fragt

Wie funktioniert eine Atomuhr?

Wussten Sie, dass die Sekundenzeiger der Bahnhofsuhren der Zeit immer ein wenig voraus sind? Am Ende einer jeden Runde um das Zifferblatt verharren sie einen Moment und warten auf das Signal der Atomuhr. Die steht bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, wo sich Andreas Bauch die Zeit nahm, uns die Atomuhr zu erkl�ren.

Im Prinzip besteht jede Uhr aus zwei Teilen: einem Taktgeber (Pendel und Unruh oder die Biegeschwingung eines Quarzkristalls) und einem Z�hlwerk, das die Taktimpulse z�hlt 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 Energiezust�nden wird elektromagnetische Strahlung absorbiert oder emittiert, deren Frequenz proportional zur Energiedifferenz beider Zust�nde ist.

Die Idee, ein Vielfaches der Periodendauer einer solchen Strahlung als Zeiteinheit festzulegen, wurde erstmals in den 40er Jahren ge�u�ert. Mitte der 50er Jahre funktionierte die erste Caesium-Atomuhr im Labor, ein paar Jahre sp�ter 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: Zun�chst wird Caesium in einem Ofen verdampft und in einem Vakuumtank zu einem Atomstrahl geb�ndelt. Die Atome befinden sich dann in einem der beiden tiefstm�glichen Energiezust�nde, die das Caesium einnehmen kann.

Anschlie�end 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 h�ngt von der Frequenz des Mikrowellenfeldes ab. Sie wird so eingestellt, dass m�glichst viele Atome registriert werden. Unter dieser Bedingung ist eine Sekunde nach genau 9�192�631�770�Perioden des Mikrowellenfeldes verstrichen.

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

J�hrlich werden heute weltweit etwa 200�Caesiumuhren produziert. Die besten realisieren die "absolute" Sekunde mit einer Unsicherheit von wenigen 10^-13�Sekunden. Sie werden in den Bereichen Navigation, Geod�sie, Raumfahrt, Telekommunikation und Metrologie eingesetzt.

In einigen Zeitinstituten wie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig entstanden in den letzten Jahrzehnten so genannte prim�re Uhren mit �berlegenen Eigenschaften. Die gegenw�rtig genauesten verwenden Laser gek�hlte Atome und erreichen eine Unsicherheit von nur 10^-15�Sekunden. Bis eine solche Uhr eine Sekunde falsch l�uft, m�ssen also rund 31�Millionen Jahre vergehen.