Wie funktioniert eigentlich eine Atomuhr? Fast überall begegnet uns diese Technik aber kaum einer weiss, wie diese Technik eigentlich funktioniert.
Heute möchte ich einmal erklären, wie eine Atomuhr eigentlich funktioniert und wie die Zeit in unsere Uhren kommt.
Atomuhren sind Uhren deren Zeittakt aus der charakteristischen Frequenz von Strahlungsübergängen der Elektronen freier Atome abgeleitet wird. Dabei wird die Zeitanzeige einer Referenzuhr ständig mit dem Taktgeber verglichen und entsprechend angepasst. Man bezeichnet eine Atomuhr auch als primäre Uhr, da diese Uhren die genausten Uhren sind.
Entwickelt wurde dieses Prinzim übrigens von dem amerikanischem Phisiker Isidor Isaac Rabi. Er erhielt hierfür im Jahre 1944 den Nobelpreis für Physik.
Weltweit gibt es übrigens rund 260 Atomuhren.
Das Prinzip einer Atomuhr ist nicht gerade leicht. Trotzdem klingt es eigentlich ziemlich logisch, was in der Physik eigentlich auch vorausgesetzt werden sollte, damit eine Entwicklung auch funktioniert.
Je konstanter die Schwingung des Taktgebers ist, desto genauer kann eine Uhr die Zeit angeben. Bei Armbanduhren ist das entweder die Unruh oder der Oszillator. Ein Oszillator erzeugt einen gleichmäßigen Takt. Dieser Takt lässt aber mit der Zeit nach und muss daher mit Energie versorgt werden. Erst dann erzeugt der Oszillator einen konstanten Takt und kann so als Signalgeber für Quarzuhren verwendet werden.
Bei einer Atomuhr läuft das selbe Prinzip ab, allerdings ist hier die Technik wesentlich aufwändiger, aber damit auch genauer.
Bei einer Atomuhr erzeugt ein Quarzoszillator ein elektromagenetisches Wechselfeld dem die Atome ausgesetzt werden. Bei einer ganz bestimmten Frequenz absorbieren diese Atome sehr viel Energie und strahlen diese in alle Richtungen ab. Mit dieser Resonanz wird der Quarzoszillator stabil gehalten.
Wenn die Referenzuhr von der Frequenz des Taktgebers abweicht, dann wird die Referenzuhr nachgeregelt. Hierdurch ist es möglich, von der Referenzuhr ein sehr genaues Zeitsignal zu erhalten.
In Deutschland stehen einige Atomuhren in Braunschweig bei der PTB – Hier steht sogar eine Caesium-Fontäne. Dies ist eine neue Art der Atomuhren. Bei dieser Bauweise arbeitet man mit abgebremsten Atomen. Die Caesiumatome werden so stark abgekühlt, dass sie sich nurnoch einen Zentimeter pro Sekunde bewegen. Mit einem Laser werden diese langsamen Atome dann beschleunigt und durchlaufen dann die ballistische Flugbahn. Durch dieses Verfahren kann man eine wesentlich genauere Zeit erreichen, als es mit herkömmlichen Atomuhren möglich ist. Seit 1991 liefert die Caesium-Uhr das Zeitsignal für die Sekunden der gesetzlichen Zeit. Diese Uhr hat eine Abweichung von einer Sekunde in 20 Millionen Jahren.
Das Zeitsignal kann über dasDCF77-Signal im kompletten westlichen Europa empfangen werden. Der Sender für dieses Signal steht in Mainflingen und sendet mit einer Leistung von 50 kW. Er sendet seine Signale im Sekundentakt auf der Frequenz 77,5 kHz und liefert neben dem Zeitsignal seit 1973 auch das Signal für das Datum.
Das Signal kann, je nach Wetterlage und Jahreszeit, im Umkreis von 2000 KM empfangen werden. Allerdings sendet die Station auf Mittelwelle. Daher ist es vereinzelt bereits einige male passiert, dass sich selbst die Uhren in Kanada auf diesen Sender eingestellt hatten. Das Signal ist eigentlich immer konstant und gleich. Probleme gibt es nur, wenn starker Wind die Antennen bewegt.
Anbei habe ich noch ein Foto der Sendeanlage in Mainflingen. Einer der Masten gehört zu DCF77. Die Masten sind 200 Meter hoch.
Ich hoffe diese Erklärung war halbwegs interessant. Eine Atomuhr ist ziemlich interessant wie ich finde.