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Atomuhren, eine Art von Uhren, die bestimmte Resonanzfrequenzen von Atomen (meist Cäsium oder Rubidium) nutzen, um die Zeit mit extremer Genauigkeit einzuhalten. Die elektronischen Bauteile von Atomuhren werden durch die Frequenz der elektromagnetischen Mikrowellenstrahlung geregelt. Nur wenn diese Strahlung auf einer ganz bestimmten Frequenz gehalten wird, löst sie den Quantenübergang (Energieänderung) der Cäsium- oder Rubidiumatome aus. In einer Atomuhr werden diese Quantenübergänge beobachtet und in einer Rückkopplungsschleife aufrechterhalten, die die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung trimmt; wie die wiederkehrenden Ereignisse in anderen Arten von Uhren werden diese Wellen dann gezählt.
Im Jahr 1967 definierte die 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht die Sekunde, die Zeiteinheit im Internationalen Einheitensystem, in Bezug auf den Cäsiumstandard neu, so dass sie der Sekunde der Ephemeridenzeit entspricht. Die Konferenz definierte die Sekunde als „die Dauer von 9.192.631.770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entspricht“
Bis in die 1990er Jahre war die Cäsiumstrahl-Atomuhr der genaueste Standard für atomare Zeit und Frequenz. Das der Cäsiumuhr zugrunde liegende Prinzip besteht darin, dass alle Cäsium-133-Atome identisch sind und, wenn sie Energie aufnehmen oder abgeben, Strahlung mit genau derselben Frequenz erzeugen, was die Atome zu perfekten Zeitmessern macht. Seitdem haben Laboratorien auf der ganzen Welt die Genauigkeit der Cäsium-Fontänen-Atomuhren ständig verbessert. Diese Uhren haben ihren Namen von der fontänenartigen Bewegung des Cäsiumgases, aus dem sie bestehen. Der Zeitmessungsprozess beginnt damit, dass Cäsiumgas in eine Vakuumkammer eingeleitet wird und sechs Infrarotlaser (im rechten Winkel zueinander angeordnet) die Cäsiumatome verdichten und auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlen (verlangsamen). Anschließend werden die Atome mit zwei vertikalen Lasern durch einen mit Mikrowellen gefüllten Hohlraum etwa einen Meter nach oben geschleudert (wodurch eine „Fontäne“ entsteht). Die Mikrowellenfrequenz wird so eingestellt, dass die beobachtete Fluoreszenz maximiert wird, die bei der natürlichen Resonanzfrequenz (9.192.631.770 Hz) des Cäsiumatoms auftritt. Da der Umlauf durch den Mikrowellenhohlraum etwa eine Sekunde dauert, hat die Steuerung der Mikrowellenfrequenz zu einer höheren Genauigkeit der Zeitmessung geführt. Die besten Cäsium-Fontänen-Atomuhren werden jetzt um weniger als eine Sekunde in mehr als 50 Millionen Jahren abweichen.
Encyclopædia Britannica, Inc.