Atomuhr
Bewertet man die Genauigkeit von Quarzuhren unter dem Gesichtspunkt ihrer Kurzzeitstabilität, so muss man sagen, dass diese Genauigkeit deutlich höher ist als die von Pendeluhren, die jedoch eine höhere Gangstabilität im Langzeitverlauf aufweisen Messungen. Bei Quarzuhren werden Unregelmäßigkeiten durch Veränderungen in der inneren Struktur des Quarzes und die Instabilität elektronischer Systeme verursacht.
Die Hauptquelle für die Verletzung der Frequenzstabilität ist die Alterung des Quarzkristalls, der die Frequenz des Oszillators synchronisiert. Messungen haben zwar gezeigt, dass die Alterung des Kristalls, begleitet von einer Frequenzerhöhung, ohne große Schwankungen und abrupte Änderungen abläuft. Trotz. dies, Alterung, stört den korrekten Betrieb einer Quarzuhr und erfordert die regelmäßige Überwachung durch ein anderes Gerät mit einem Oszillator mit einem stabilen, unveränderten Frequenzgang.
Die rasante Entwicklung der Mikrowellenspektroskopie nach dem Zweiten Weltkrieg eröffnete neue Möglichkeiten auf dem Gebiet der genauen Zeitmessung mittels Frequenzen, die geeigneten Spektrallinien entsprechen. Diese Frequenzen, die man als Frequenznormale bezeichnen könnte, führten zu der Idee, einen Quantengenerator als Zeitnormal zu verwenden.
Diese Entscheidung war eine historische Wende in der Geschichte der Chronometrie, da sie die Ablösung der bisher gültigen astronomischen Zeiteinheit durch eine neue Quantenzeiteinheit bedeutete. Diese neue Zeiteinheit wurde als Strahlungsperiode genau definierter Übergänge zwischen den Energieniveaus der Moleküle bestimmter speziell ausgewählter Substanzen eingeführt. Nach intensiver Beschäftigung mit dieser Problematik in den ersten Nachkriegsjahren gelang es, ein Gerät zu bauen, das nach dem Prinzip der kontrollierten Absorption von Mikrowellenenergie in flüssigem Ammoniak bei sehr niedrigen Drücken arbeitet. Die ersten Experimente mit einem mit einem Absorptionselement ausgestatteten Gerät lieferten jedoch nicht die erwarteten Ergebnisse, da die Verbreiterung der Absorptionslinie, die durch gegenseitige Kollisionen von Molekülen verursacht wurde, es schwierig machte, die Frequenz des Quantenübergangs selbst zu bestimmen. Nur durch die Methode eines schmalen Strahls frei fliegender Ammoniakmoleküle in der UdSSR A.M. Prochorow und N.G. Basov und in den USA Towns von der Columbia University gelang es, die Wahrscheinlichkeit gegenseitiger Kollisionen von Molekülen erheblich zu verringern und die Verbreiterung der Spektrallinie praktisch zu eliminieren. Unter diesen Umständen könnten Ammoniakmoleküle bereits die Rolle eines Atomgenerators spielen. Ein schmaler Molekülstrahl, der durch eine Düse in einen Vakuumraum eingelassen wird, durchläuft ein inhomogenes elektrostatisches Feld, in dem die Trennung von Molekülen stattfindet. Moleküle in einem höheren Quantenzustand wurden zu einem abgestimmten Resonator geschickt, wo sie elektromagnetische Energie mit einer konstanten Frequenz von 23.870.128.825 Hz aussenden. Diese Frequenz wird dann mit der Frequenz eines in der Atomuhrschaltung enthaltenen Quarzoszillators verglichen. Der erste Quantengenerator, der Ammoniak-Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), wurde nach diesem Prinzip gebaut.
NG Basov, A.M. Für diese Arbeiten erhielten Prokhorov und Townes 1964 den Nobelpreis für Physik.
Die Frequenzstabilität von Ammoniak-Masern wurde auch von Wissenschaftlern aus der Schweiz, Japan, Deutschland, Großbritannien, Frankreich und nicht zuletzt der Tschechoslowakei untersucht. Im Zeitraum 1968-1979. Am Institut für Funktechnik und Elektronik der Tschechoslowakischen Akademie der Wissenschaften wurden mehrere Ammoniak-Maser gebaut und in Probebetrieb genommen, die als Frequenznormale für die genaue Zeitmessung in tschechoslowakischen Atomuhren dienten. Sie erreichten eine Frequenzstabilität in der Größenordnung von 10-10, was einer täglichen Gangänderung von 20 Millionstel Sekunden entspricht.
Gegenwärtig werden Atomfrequenz- und Zeitnormale hauptsächlich für zwei Hauptzwecke verwendet – zum Messen der Zeit und zum Kalibrieren und Kontrollieren grundlegender Frequenznormale. In beiden Fällen wird die Frequenz des Quarztaktgebers mit der Frequenz des atomaren Normals verglichen.
Bei der Zeitmessung werden regelmäßig die Frequenz des atomaren Normals und die Frequenz des Quarzuhrgenerators verglichen und aus den festgestellten Abweichungen eine lineare Interpolation und die durchschnittliche Zeitkorrektur bestimmt. Die wahre Zeit ergibt sich dann aus der Summe der Ablesungen der Quarzuhr und dieser mittleren Zeitkorrektur. Dabei wird der durch die Interpolation entstehende Fehler durch die Art der Alterung des Uhrenquarzes bestimmt.
Die hervorragenden Ergebnisse, die mit Atomzeitnormalen erzielt wurden, mit einem Fehler von nur 1 s in ganzen tausend Jahren, waren der Grund dafür, dass auf der Dreizehnten Generalkonferenz für Maß und Gewicht, die im Oktober 1967 in Paris stattfand, eine neue Definition der Einheit Zeit gegeben - eine Atomsekunde, die nun als 9.192.631.770 Schwingungen der Strahlung des Cäsium-133-Atoms definiert wurde.
Wie oben angegeben, steigt mit der Alterung eines Quarzkristalls die Schwingungsfrequenz des Quarzoszillators allmählich an und die Differenz zwischen den Frequenzen des Quarz- und des Atomoszillators nimmt kontinuierlich zu. Stimmt die Kristallalterungskurve, so reicht es aus, Quarzschwankungen nur periodisch, zumindest im Abstand von mehreren Tagen, zu korrigieren. Somit muss der Atomoszillator nicht permanent mit dem Quarzuhrensystem verbunden sein, was sehr vorteilhaft ist, da das Eindringen von Störeinflüssen in das Messsystem begrenzt ist.
Die auf der Weltausstellung in Brüssel 1958 vorgeführte Schweizer Atomuhr mit zwei Ammoniak-Molekularoszillatoren erreichte eine Genauigkeit von einer hunderttausendstel Sekunde pro Tag, was die Genauigkeit genauer Pendeluhren um etwa das Tausendfache übertrifft. Diese Genauigkeit ermöglicht es bereits, periodische Instabilitäten der Rotationsgeschwindigkeit der Erdachse zu untersuchen. Der Graph in Abb. 39, die gleichsam ein Abbild der historischen Entwicklung der Zeitmessinstrumente und der Verbesserung der Zeitmessmethoden ist, zeigt, wie auf wundersame Weise die Genauigkeit der Zeitmessung über mehrere Jahrhunderte gestiegen ist. Allein in den letzten 300 Jahren hat sich diese Genauigkeit um mehr als das 100.000-fache erhöht.
Reis. 39. Genauigkeit chronometrischer Instrumente im Zeitraum von 1930 bis 1950
Der Chemiker Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) entdeckte als erster das Cäsium, dessen Atome unter richtig gewählten Bedingungen elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von etwa 9192 MHz absorbieren können. Diese Eigenschaft wurde von Sherwood und McCracken genutzt, um den ersten Cäsiumstrahlresonator herzustellen. L. Essen, der am National Physical Laboratory in England arbeitete, richtete seine Bemühungen auf die praktische Anwendung des Cäsiumresonators zur Frequenz- und Zeitmessung. In Zusammenarbeit mit der astronomischen Gruppe "United States Navel Observatory" hat er bereits 1955-1958. bestimmten die Quantenübergangsfrequenz von Cäsium bei 9.192.631.770 Hz und brachten sie mit der damals aktuellen Definition der Ephemeridensekunde in Verbindung, was viel später, wie oben angedeutet, zur Etablierung einer neuen Definition der Zeiteinheit führte. Die folgenden Cäsiumresonatoren wurden vom National Research Council of Canada in Ottawa, im Labor Suisse de Rechers Horlogeres in Neuchâtel und anderen entwickelt: Walden" in Massachusetts.
Die Komplexität von Atomuhren legt nahe, dass der Einsatz von Atomoszillatoren nur im Bereich der Laborzeitmessung möglich ist, die mit großen Messgeräten durchgeführt wird. Tatsächlich war dies bis vor kurzem der Fall. Aber auch in diesen Bereich hat die Miniaturisierung Einzug gehalten. Die bekannte japanische Firma Seiko-Hattori, die komplexe Chronographen mit Quarzoszillatoren herstellt, bot die erste Atomarmbanduhr an, die wiederum in Zusammenarbeit mit der amerikanischen Firma McDonnell Douglas Astronautics Company hergestellt wurde. Diese Firma stellt auch eine Miniatur-Brennstoffzelle her, die die Energiequelle für die erwähnten Uhren ist. Die elektrische Energie in diesem Element mit einer Größe von 13? 6,4 mm produziert das Radioisotop Promethium-147; Die Lebensdauer dieses Elements beträgt fünf Jahre. Das Uhrengehäuse aus Tantal und Edelstahl schützt ausreichend vor den in die Umwelt abgegebenen Betastrahlen des Elements.
Astronomische Messungen, das Studium der Bewegung der Planeten im Weltraum und verschiedene radioastronomische Untersuchungen sind heute ohne Kenntnis der genauen Zeit unverzichtbar. Die in solchen Fällen geforderte Genauigkeit von Quarz- oder Atomuhren schwankt im Bereich von Millionstel Sekunden. Mit zunehmender Genauigkeit der gelieferten Zeitinformationen nahmen die Probleme der Uhrensynchronisation zu. Die einst zufriedenstellende Methode der funkübertragenen Zeitsignale auf Kurz- und Langwelle erwies sich als nicht ausreichend genau, um zwei eng beieinander liegende Zeitmesser mit einer Genauigkeit von mehr als 0,001 s zu synchronisieren, und jetzt ist selbst diese Genauigkeit nicht mehr zufriedenstellend.
Eine der möglichen Lösungen - der Transport von Hilfsuhren an den Ort der Vergleichsmessungen - war durch die Miniaturisierung elektronischer Elemente gegeben. In den frühen 1960er Jahren wurden spezielle Quarz- und Atomuhren gebaut, die mit dem Flugzeug transportiert werden konnten. Sie könnten zwischen astronomischen Labors transportiert werden und liefern dennoch Zeitinformationen mit einer Genauigkeit von einer Millionstel Sekunde. Als beispielsweise 1967 ein interkontinentaler Transport einer von der kalifornischen Firma Hewlett-Packard hergestellten Miniatur-Cäsiumuhr durchgeführt wurde, durchlief dieses Gerät 53 Labors der Welt (es befand sich auch in der Tschechoslowakei) und mit seiner Hilfe die Der Verlauf lokaler Uhren wurde mit einer Genauigkeit von 0,1 µs (0,0000001 s) synchronisiert.
Kommunikationssatelliten können auch für Mikrosekunden-Zeitvergleiche verwendet werden. 1962 nutzten Großbritannien und die Vereinigten Staaten von Amerika diese Methode, indem sie ein Zeitsignal über den Satelliten Telestar aussendeten. Viel günstigere Ergebnisse bei geringeren Kosten wurden jedoch durch die Übertragung von Signalen unter Verwendung der Fernsehtechnologie erzielt.
Diese Methode der genauen Zeit- und Frequenzübertragung unter Verwendung von Fernsehsynchronimpulsen wurde in tschechoslowakischen wissenschaftlichen Einrichtungen entwickelt und weiterentwickelt. Ein Hilfsträger der Zeitinformation sind hier synchronisierende Videopulse, die die Übertragung eines Fernsehprogramms in keiner Weise stören. In diesem Fall müssen keine zusätzlichen Impulse in das Fernsehbildsignal eingebracht werden.
Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist, dass an den Orten der zu vergleichenden Uhren das gleiche Fernsehprogramm empfangen werden kann. Die Vergleichsuhren sind auf wenige Millisekunden genau voreingestellt, die Messung muss dann an allen Messstationen gleichzeitig erfolgen. Außerdem ist es notwendig, die Zeitdifferenz zu kennen, die für die Übertragung von Taktimpulsen von einer gemeinsamen Quelle, die ein Fernsehsynchronisierer ist, zu Empfängern an der Stelle der verglichenen Uhren erforderlich ist.
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Erstens nutzt die Uhr die Menschheit als Mittel zur Kontrolle der Programmzeit.
Zweitens ist die Zeitmessung heute auch die genaueste Art der Messung überhaupt: Die Genauigkeit der Zeitmessung wird heute durch einen unglaublichen Fehler in der Größenordnung von 1 · 10-11% oder 1 s in 300.000 Jahren bestimmt.
Und moderne Menschen erreichten eine solche Genauigkeit, als sie anfingen zu verwenden Atome, die aufgrund ihrer Schwingungen der Regler der Atomuhr sind. Cäsiumatome befinden sich in den zwei Energiezuständen, die wir brauchen (+) und (-). Elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 9.192.631.770 Hertz wird erzeugt, wenn sich Atome vom Zustand (+) nach (-) bewegen, wodurch ein präziser konstanter periodischer Prozess entsteht - der Controller des Atomuhrcodes.
Damit Atomuhren genau funktionieren, muss Cäsium in einem Ofen verdampft werden, wodurch seine Atome herausgeschleudert werden. Hinter dem Ofen befindet sich ein Sortiermagnet, der die Kapazität von Atomen im (+)-Zustand hat und in dem die Atome durch Bestrahlung in einem Mikrowellenfeld in den (-)-Zustand gehen. Der zweite Magnet lenkt Atome, die ihren Zustand (+) zu (-) geändert haben, zum Empfangsgerät. Viele Atome, die ihren Zustand geändert haben, werden nur erhalten, wenn die Frequenz des Mikrowellensenders genau mit der Schwingungsfrequenz von Cäsium 9 192 631 770 Hertz übereinstimmt. Andernfalls nimmt die Anzahl der Atome (-) im Empfänger ab.
Instrumente überwachen und justieren ständig die Konstanz der Frequenz 9 192 631 770 Hertz. So wurde der Traum der Uhrendesigner wahr, ein absolut konstanter periodischer Prozess wurde gefunden: eine Frequenz von 9.192.631.770 Hertz, die den Gang von Atomuhren regelt.
Heute wird aufgrund internationaler Vereinbarungen die Sekunde als die mit 9.192.631.770 multiplizierte Strahlungsperiode definiert, die dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinstrukturebenen des Grundzustands des Cäsiumatoms (Cäsium-133-Isotop) entspricht.
Um die genaue Zeit zu messen, können Sie auch Schwingungen anderer Atome und Moleküle verwenden, z. B. Atome von Calcium, Rubidium, Cäsium, Strontium, Wasserstoffmoleküle, Jod, Methan usw. Die Strahlung des Cäsiumatoms wird jedoch als die erkannt Frequenzstandard. Um die Schwingungen verschiedener Atome mit einem Standard (Cäsium) zu vergleichen, wurde ein Titan-Saphir-Laser geschaffen, der einen breiten Frequenzbereich im Bereich von 400 bis 1000 nm erzeugt.
Der erste Schöpfer von Quarz- und Atomuhren war ein englischer Experimentalphysiker Essener Lewis (1908-1997). 1955 schuf er das erste Atomfrequenznormal (Zeitnormal) auf einem Strahl von Cäsiumatomen. Als Ergebnis dieser Arbeit entstand 3 Jahre später (1958) ein Zeitdienst auf Basis des Atomfrequenznormals.
In der UdSSR brachte der Akademiker Nikolai Gennadievich Basov seine Ideen zur Herstellung von Atomuhren vor.
So, Atomuhr, Eine der genauen Arten von Uhren ist ein Gerät zur Zeitmessung, bei dem die natürlichen Schwingungen von Atomen oder Molekülen als Pendel verwendet werden. Die Stabilität von Atomuhren ist die beste aller existierenden Uhrentypen, was der Schlüssel zu höchster Genauigkeit ist. Der Atomuhrgenerator erzeugt im Gegensatz zu herkömmlichen Uhren mehr als 32.768 Impulse pro Sekunde. Schwingungen von Atomen hängen nicht von Lufttemperatur, Vibrationen, Feuchtigkeit und vielen anderen äußeren Faktoren ab.
In der modernen Welt, in der Navigation einfach unverzichtbar ist, sind Atomuhren zu unverzichtbaren Helfern geworden. Sie sind in der Lage, den Standort eines Raumfahrzeugs, Satelliten, einer ballistischen Rakete, eines Flugzeugs, eines U-Bootes oder eines Autos automatisch über Satellitenkommunikation zu bestimmen.
So galten in den letzten 50 Jahren Atomuhren bzw. Cäsiumuhren als die genauesten. Sie werden seit langem von Zeitnahmediensten verwendet, und Zeitsignale werden auch von einigen Radiosendern ausgestrahlt.
Das Atomuhrgerät besteht aus 3 Teilen: 
Quantendiskriminator,
Quarzoszillator,
Elektronikkomplex.
Ein Quarzoszillator erzeugt eine Frequenz (5 oder 10 MHz). Der Oszillator ist ein RC-Funkgenerator, bei dem die piezoelektrischen Moden eines Quarzkristalls als Resonanzelement verwendet werden, wobei die Atome, die den Zustand (+) zu (-) geändert haben, verglichen werden.Um die Stabilität zu erhöhen, ist seine Frequenz konstant verglichen mit den Schwingungen eines Quantendiskriminators (Atome oder Moleküle) . Bei unterschiedlichen Schwingungen regelt die Elektronik die Frequenz des Quarzoszillators auf Null und erhöht so die Stabilität und Genauigkeit der Uhr auf das gewünschte Niveau.
Heutzutage können Atomuhren in jedem Land der Welt für den täglichen Gebrauch hergestellt werden. Sie sind sehr klein und schön. Die Größe der neusten Atomuhren ist nicht größer als eine Streichholzschachtel und ihr geringer Stromverbrauch beträgt weniger als 1 Watt. Und das ist nicht die Grenze, vielleicht erreicht der technologische Fortschritt in Zukunft Mobiltelefone. Mittlerweile werden kompakte Atomuhren nur noch auf strategischen Flugkörpern installiert, um die Genauigkeit der Navigation um ein Vielfaches zu erhöhen.
Heute können in Online-Shops Atomuhren für Herren und Damen für jeden Geschmack und jedes Budget gekauft werden.
2011 wurde die kleinste Atomuhr der Welt von Symmetricom und dem Sandia National Laboratory entwickelt. Diese Uhr ist 100-mal kompakter als frühere im Handel erhältliche Versionen. Die Größe eines Atomchronometers ist nicht größer als eine Streichholzschachtel. Er benötigt zum Betrieb 100 mW Leistung, das ist 100-mal weniger als seine Vorgänger.
Die Größe der Uhr konnte reduziert werden, indem anstelle von Federn und Zahnrädern ein Mechanismus eingebaut wurde, der nach dem Prinzip der Bestimmung der Frequenz elektromagnetischer Wellen arbeitet, die von Cäsiumatomen unter dem Einfluss eines Laserstrahls vernachlässigbarer Leistung emittiert werden.
Solche Uhren werden in der Navigation sowie bei der Arbeit von Bergleuten, Tauchern, wo es notwendig ist, die Zeit mit Kollegen an der Oberfläche genau zu synchronisieren, sowie bei genauen Zeitdiensten verwendet, da der Fehler von Atomuhren weniger als 0,000001 Bruchteile beträgt von einer Sekunde pro Tag. Die Kosten für die rekordverdächtige kleine Symmetricom-Atomuhr betrugen etwa 1.500 US-Dollar.
Einen neuen Impuls in der Entwicklung von Geräten zur Zeitmessung gaben Atomphysiker.
1949 wurde die erste Atomuhr gebaut, bei der die Schwingungsquelle kein Pendel oder Quarzoszillator war, sondern Signale, die mit dem Quantenübergang eines Elektrons zwischen zwei Energieniveaus eines Atoms verbunden waren.
In der Praxis erwiesen sich solche Uhren als nicht sehr genau, außerdem waren sie sperrig und teuer und wurden nicht weit verbreitet. Dann wurde beschlossen, sich dem chemischen Element Cäsium zuzuwenden. Und 1955 erschien die erste Atomuhr auf der Basis von Cäsiumatomen.
1967 wurde beschlossen, zum Atomzeitstandard zu wechseln, da sich die Erdrotation verlangsamt und das Ausmaß dieser Verlangsamung nicht konstant ist. Dies behinderte die Arbeit der Astronomen und der Hüter der Zeit erheblich.
Die Erde dreht sich derzeit mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 Millisekunden pro 100 Jahre.
Auch Schwankungen in der Tagesdauer erreichen Tausendstelsekunden. Daher ist die Genauigkeit der Greenwich Mean Time (der Weltstandard seit 1884) unzureichend geworden. 1967 erfolgte der Übergang zum Atomzeitstandard.
Heute ist eine Sekunde eine Zeitspanne, die genau 9.192.631.770 Strahlungsperioden entspricht, was dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entspricht.
Als Zeitskala wird derzeit die koordinierte Weltzeit verwendet. Es wird vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht gebildet, indem es Daten aus den Zeitmesslabors verschiedener Länder sowie Daten des Internationalen Erdrotationsdienstes kombiniert. Seine Genauigkeit ist fast eine Million Mal besser als die astronomische Greenwich Mean Time.
Es wurde eine Technologie entwickelt, die es ermöglichen wird, die Größe und die Kosten von ultrapräzisen Atomuhren radikal zu reduzieren, was es ermöglichen wird, sie in mobilen Geräten für verschiedene Zwecke einzusetzen. Wissenschaftler waren in der Lage, einen ultrakleinen Atomzeitstandard zu schaffen. Solche Atomuhren verbrauchen weniger als 0,075 W und haben einen Fehler von nicht mehr als einer Sekunde in 300 Jahren.
Einem US-Forscherteam ist es gelungen, einen ultrakompakten atomaren Standard zu schaffen. Es wurde möglich, Atomuhren mit herkömmlichen AA-Batterien zu betreiben. Ultrapräzise Atomuhren, normalerweise mindestens einen Meter hoch, wurden in einem Volumen von 1,5 x 1,5 x 4 mm platziert
In den Vereinigten Staaten wurde eine experimentelle Atomuhr entwickelt, die auf einem einzelnen Quecksilberion basiert. Sie sind fünfmal genauer als Cäsium, das als internationaler Standard akzeptiert wird. Cäsiumuhren sind so genau, dass eine Abweichung von einer Sekunde erst nach 70 Millionen Jahren erreicht wird, bei Quecksilberuhren sind es 400 Millionen Jahre.
1982 mischte sich ein neues astronomisches Objekt, ein Millisekundenpulsar, in den Streit zwischen der astronomischen Definition des Zeitstandards und der Atomuhr ein, die ihn gewann. Diese Signale sind so stabil wie die besten Atomuhren
Wissen Sie?
Die erste Uhr in Russland
1412 wurde in Moskau im Hof des Großherzogs hinter der Verkündigungskirche eine Uhr aufgestellt und von Lazar, einem serbischen Mönch, der aus dem serbischen Land stammte, hergestellt. Leider ist die Beschreibung dieser ersten Uhren in Russland nicht erhalten.
________Wie entstand das Glockenspiel auf dem Spasskaja-Turm des Moskauer Kremls?
Im 17. Jahrhundert fertigte der Engländer Christopher Galovey Glockenspiele für den Spasskaya-Turm an: Der Stundenkreis war in 17 Sektoren unterteilt, der einzige Uhrzeiger war bewegungslos, zeigte nach unten und zeigte auf eine beliebige Zahl auf dem Zifferblatt, aber das Zifferblatt selbst drehte sich.
Oft hört man den Satz, dass Atomuhren immer die genaue Zeit anzeigen. Aber aus ihrem Namen ist schwer zu verstehen, warum Atomuhren am genauesten sind oder wie sie funktionieren.
Dass der Name das Wort „atomic“ enthält, bedeutet keineswegs, dass die Uhr lebensgefährlich ist, auch wenn sofort Gedanken an eine Atombombe oder ein Atomkraftwerk aufkommen. In diesem Fall sprechen wir nur über das Prinzip der Uhr. Wenn in einer gewöhnlichen mechanischen Uhr Zahnräder oszillierende Bewegungen ausführen und ihre Bewegungen gezählt werden, dann werden in Atomuhren Schwingungen von Elektronen innerhalb von Atomen gezählt. Um das Funktionsprinzip besser zu verstehen, erinnern wir uns an die Physik der Elementarteilchen.
Alle Substanzen in unserer Welt bestehen aus Atomen. Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen verbinden sich zu einem Kern, der auch Nukleon genannt wird. Um den Kern herum bewegen sich Elektronen, die sich auf unterschiedlichen Energieniveaus befinden können. Das Interessanteste ist, dass ein Elektron beim Aufnehmen oder Abgeben von Energie von seinem Energieniveau auf ein höheres oder niedrigeres wechseln kann. Ein Elektron kann Energie aus elektromagnetischer Strahlung erhalten, indem es bei jedem Übergang elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Frequenz absorbiert oder emittiert.
Meistens handelt es sich um Uhren, bei denen Atome des Elements Cäsium -133 zur Veränderung verwendet werden. Wenn in 1 Sekunde das Pendel herkömmliche Uhren macht 1 Schwingbewegung, dann die Elektronen bei Atomuhren Basierend auf Cäsium-133 geben sie beim Übergang von einem Energieniveau zum anderen elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 9192631770 Hz ab. Es stellt sich heraus, dass eine Sekunde in genau diese Anzahl von Intervallen unterteilt ist, wenn sie in Atomuhren berechnet wird. Dieser Wert wurde 1967 offiziell von der internationalen Gemeinschaft übernommen. Stellen Sie sich ein riesiges Zifferblatt vor, auf dem es nicht 60, sondern 9192631770 Unterteilungen gibt, die nur 1 Sekunde sind. Es ist nicht verwunderlich, dass Atomuhren so genau sind und eine Reihe von Vorteilen haben: Atome altern nicht, verschleißen nicht und die Schwingungsfrequenz ist für ein chemisches Element immer gleich, was einen gleichzeitigen Vergleich ermöglicht, z B. die Ablesungen von Atomuhren weit im Weltraum und auf der Erde, keine Angst vor Fehlern.
Dank Atomuhren konnte die Menschheit in der Praxis die Richtigkeit der Relativitätstheorie testen und sich davon überzeugen, als auf der Erde. Atomuhren sind auf vielen Satelliten und Raumfahrzeugen installiert, sie werden für Telekommunikationszwecke verwendet, für die mobile Kommunikation vergleichen sie die genaue Zeit auf dem gesamten Planeten. Ohne Übertreibung war es der Erfindung der Atomuhr zu verdanken, dass die Menschheit in das Zeitalter der Hochtechnologie eintreten konnte.
Wie funktionieren Atomuhren?
Cäsium-133 wird durch Verdampfen von Cäsiumatomen erhitzt, die durch ein Magnetfeld geleitet werden, wo Atome mit den gewünschten Energiezuständen ausgewählt werden.
Dann durchlaufen die ausgewählten Atome ein Magnetfeld mit einer Frequenz nahe 9192631770 Hz, wodurch ein Quarzoszillator entsteht. Unter dem Einfluss des Feldes ändern die Cäsiumatome erneut ihre Energiezustände und fallen auf den Detektor, der festlegt, wann die meisten ankommenden Atome den „richtigen“ Energiezustand haben werden. Die maximale Anzahl von Atomen mit einem geänderten Energiezustand zeigt an, dass die Frequenz des Mikrowellenfelds richtig gewählt ist, und dann wird ihr Wert in ein elektronisches Gerät eingespeist - einen Frequenzteiler, der die Frequenz um eine ganzzahlige Anzahl von Malen reduziert die Zahl 1, die die Bezugssekunde ist.
So werden die Cäsiumatome verwendet, um die richtige Frequenz des vom Quarzoszillator erzeugten Magnetfelds zu überprüfen und dabei zu helfen, es konstant zu halten.
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Obwohl die heute existierenden Atomuhren beispiellos genau sind und Millionen von Jahren fehlerfrei laufen können, werden die Physiker hier nicht aufhören. Unter Verwendung von Atomen verschiedener chemischer Elemente arbeiten sie ständig daran, die Genauigkeit von Atomuhren zu verbessern. Von den neuesten Erfindungen - Atomuhren auf Strontium, die dreimal genauer sind als ihr Cäsium-Pendant. Es würde 15 Milliarden Jahre dauern, bis sie nur eine Sekunde hinterherhinken – eine Zeit länger als das Alter unseres Universums …Wenn Sie einen Fehler finden, markieren Sie bitte einen Textabschnitt und klicken Sie darauf Strg+Eingabe.
Hochpräzise Atomuhren, die in 300 Millionen Jahren einen Fehler von einer Sekunde machen. Diese Uhr, die ein altes Modell ersetzte, das in hundert Millionen Jahren um eine Sekunde falsch war, setzt jetzt den Standard für die amerikanische Zivilzeit. Lenta.ru beschloss, die Geschichte der Herstellung von Atomuhren in Erinnerung zu rufen.
Erstes Atom
Um eine Uhr zu erstellen, reicht es aus, einen beliebigen periodischen Prozess zu verwenden. Und die Geschichte der Entstehung von Zeitmessinstrumenten ist teilweise die Geschichte der Entstehung entweder neuer Energiequellen oder neuer Schwingungssysteme, die in Uhren verwendet werden. Die einfachste Uhr ist wahrscheinlich die Sonnenuhr, für deren Betrieb nur die Sonne und ein Objekt benötigt werden, das einen Schatten wirft. Die Nachteile dieser Methode der Zeitbestimmung liegen auf der Hand. Auch Wasser und Sanduhren sind nicht besser: Sie eignen sich nur zur Messung relativ kurzer Zeiträume.
Die älteste mechanische Uhr wurde 1901 in der Nähe der Insel Antikythera auf einem gesunkenen Schiff in der Ägäis gefunden. Sie enthalten etwa 30 bronzene Zahnräder in einem 33 mal 18 mal 10 Zentimeter großen Holzkasten und stammen aus der Zeit um 100 v.
Seit fast zweitausend Jahren sind mechanische Uhren die genauesten und zuverlässigsten. Das Erscheinen im Jahre 1657 des klassischen Werkes von Christian Huygens „Pendeluhr“ („Horologium Oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica“) mit einer Beschreibung eines Zeitreferenzgeräts mit einem Pendel als oszillierendem System, war wahrscheinlich die Höhepunkt in der Geschichte der Entwicklung mechanischer Geräte dieser Art.
Astronomen und Navigatoren nutzten jedoch immer noch den Sternenhimmel und Karten, um ihren Standort und die genaue Zeit zu bestimmen. Die erste elektrische Uhr wurde 1814 von Francis Ronalds erfunden. Das erste derartige Instrument war jedoch aufgrund seiner Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen ungenau.
Die weitere Geschichte der Uhren ist mit der Verwendung verschiedener Schwingungssysteme in Geräten verbunden. Quarzuhren wurden 1927 von Mitarbeitern der Bell Labs eingeführt und nutzten die piezoelektrischen Eigenschaften eines Quarzkristalls: Wird elektrischer Strom angelegt, beginnt der Kristall zu schrumpfen. Moderne Quarzchronometer können eine Genauigkeit von bis zu 0,3 Sekunden pro Monat erreichen. Da Quarz jedoch einer Alterung unterliegt, wird die Uhr mit der Zeit ungenauer.
Mit der Entwicklung der Atomphysik schlugen Wissenschaftler vor, Materieteilchen als Schwingungssysteme zu verwenden. So entstand die erste Atomuhr. Die Idee, Atomschwingungen von Wasserstoff zur Zeitmessung zu verwenden, wurde bereits 1879 vom englischen Physiker Lord Kelvin vorgeschlagen, aber dies wurde erst Mitte des 20. Jahrhunderts möglich.
Reproduktion eines Gemäldes von Hubert von Herkomer (1907)
In den 1930er Jahren begann der amerikanische Physiker und Entdecker der Kernspinresonanz, Isidore Rabi, an Cäsium-133-Atomuhren zu arbeiten, doch der Kriegsausbruch hinderte ihn daran. Bereits nach dem Krieg, 1949, wurde am US National Committee of Standards unter Beteiligung von Harold Lyonson die erste molekulare Uhr mit Ammoniakmolekülen geschaffen. Aber die ersten derartigen Instrumente zur Zeitmessung waren nicht so genau wie moderne Atomuhren.
Die relativ geringe Genauigkeit war darauf zurückzuführen, dass sich durch die Wechselwirkung von Ammoniakmolekülen untereinander und mit den Wänden des Behälters, in dem sich diese Substanz befand, die Energie der Moleküle änderte und ihre Spektrallinien verbreiterten. Dieser Effekt ist der Reibung in einer mechanischen Uhr sehr ähnlich.
Später, im Jahr 1955, stellte Louis Esssen vom britischen National Physical Laboratory die erste Cäsium-133-Atomuhr vor. Diese Uhr akkumuliert einen Fehler von einer Sekunde in einer Million Jahren. Das Gerät wurde NBS-1 genannt und begann, als Cäsium-Frequenzstandard betrachtet zu werden.
Das Schaltbild einer Atomuhr besteht aus einem Kristalloszillator, der von einem Rückkopplungsdiskriminator gesteuert wird. Der Oszillator nutzt die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz, während der Diskriminator die Energieschwingungen von Atomen nutzt, sodass die Schwingungen von Quarz durch Signale von Übergängen unterschiedlicher Energieniveaus in Atomen oder Molekülen verfolgt werden. Zwischen Generator und Diskriminator befindet sich ein Kompensator, der auf die Frequenz der Atomschwingungen abgestimmt ist und diese mit der Schwingungsfrequenz des Kristalls vergleicht.
Die in der Uhr verwendeten Atome müssen für stabile Schwingungen sorgen. Jede Frequenz elektromagnetischer Strahlung hat ihre eigenen Atome: Kalzium, Strontium, Rubidium, Cäsium, Wasserstoff. Oder sogar Moleküle von Ammoniak und Jod.
Zeitstandard
Mit dem Aufkommen der Atomzeitmessgeräte wurde es möglich, sie als universelles Normal zur Bestimmung der Sekunde zu verwenden. Seit 1884 ist die Greenwich-Zeit, die als Weltstandard gilt, dem Standard der Atomuhren gewichen. 1967 wurde durch Beschluss der 12. Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine Sekunde als die Dauer von 9192631770 Strahlungsperioden definiert, die dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entsprechen. Diese Definition einer Sekunde hängt nicht von astronomischen Parametern ab und kann überall auf dem Planeten reproduziert werden. Cäsium-133, das in der Standard-Atomuhr verwendet wird, ist das einzige stabile Isotop von Cäsium mit 100 % Häufigkeit auf der Erde.
Atomuhren werden auch im Satellitennavigationssystem verwendet; Sie sind notwendig, um die genaue Zeit und die Koordinaten des Satelliten zu bestimmen. Somit hat jeder GPS-Satellit vier Sätze solcher Uhren: zwei Rubidium und zwei Cäsium, die eine Signalübertragungsgenauigkeit von 50 Nanosekunden liefern. Die russischen Satelliten des GLONASS-Systems verfügen ebenfalls über Cäsium- und Rubidium-Atomzeitmessgeräte, und die Satelliten des sich entfaltenden europäischen Geopositionierungssystems Galileo sind mit Wasserstoff- und Rubidium-Geräten ausgestattet.
Die Genauigkeit von Wasserstoffuhren ist am höchsten. Es sind 0,45 Nanosekunden in 12 Stunden. Anscheinend wird die Verwendung solch genauer Uhren durch Galileo dieses Navigationssystem im Jahr 2015 in den Vordergrund rücken, wenn 18 seiner Satelliten im Orbit sein werden.
Kompakte Atomuhr
Hewlett-Packard war das erste Unternehmen, das eine kompakte Atomuhr entwickelte. 1964 schuf sie das Cäsium-Instrument HP 5060A in der Größe eines großen Koffers. Das Unternehmen baute diese Richtung weiter aus, verkaufte aber seit 2005 seine Atomuhrensparte an Symmetricom.
Im Jahr 2011 entwickelten Draper Laboratories und Sandia National Laboratories und Symmetricom veröffentlichte die erste Quantum-Miniatur-Atomuhr. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung kosteten sie etwa 15.000 Dollar, waren in einem versiegelten Gehäuse eingeschlossen, das 40 mal 35 mal 11 Millimeter misst und 35 Gramm wog. Der Stromverbrauch der Uhr lag bei weniger als 120 Milliwatt. Ursprünglich wurden sie im Auftrag des Pentagon entwickelt und sollten Navigationssystemen dienen, die unabhängig von GPS-Systemen funktionieren, beispielsweise tief unter Wasser oder an Land.
Bereits Ende 2013 stellte die amerikanische Firma Bathys Hawaii die erste „Armband“-Atomuhr vor. Als Hauptkomponente verwenden sie den von Symmetricom hergestellten Chip SA.45s. Im Inneren des Chips befindet sich eine Kapsel mit Cäsium-133. Das Design der Uhr umfasst auch Fotozellen und einen Laser mit geringer Leistung. Letzteres sorgt für die Erwärmung von gasförmigem Cäsium, wodurch sich seine Atome von einem Energieniveau zum anderen zu bewegen beginnen. Die Zeitmessung erfolgt nur durch Festlegen eines solchen Übergangs. Die Kosten für das neue Gerät betragen etwa 12.000 Dollar.
Trends in Richtung Miniaturisierung, Autonomie und Genauigkeit werden dazu führen, dass es in naher Zukunft neue Geräte mit Atomuhren in allen Bereichen des menschlichen Lebens geben wird, von der Weltraumforschung über umlaufende Satelliten und Stationen bis hin zu häuslichen Anwendungen in Innen- und Handgelenksystemen.
