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Atomuhren: Genaue Zeit ist der Schlüssel zum Fortschritt. Wie funktionieren Atomuhren?

Einen neuen Impuls in der Entwicklung von Geräten zur Zeitmessung gaben Atomphysiker.

1949 wurde die erste Atomuhr gebaut, deren 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 fanden keine große Verbreitung. Dann entschied man sich für das chemische Element Cäsium. Und 1955 erschienen die ersten Atomuhren auf Basis von Cäsiumatomen.

1967 wurde beschlossen, auf den Atomzeitstandard umzustellen, da sich die Erdrotation verlangsamt und das Ausmaß dieser Verlangsamung nicht konstant ist. Dies erschwerte die Arbeit von Astronomen und Zeitmessern erheblich.

Die Erde dreht sich derzeit mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 Millisekunden pro 100 Jahre.

Schwankungen in der Tageslänge erreichen ebenfalls Tausendstelsekunden. Daher ist die Genauigkeit der Greenwich Mean Time (seit 1884 allgemein als globaler Standard anerkannt) unzureichend geworden. Im Jahr 1967 erfolgte der Übergang zum Atomzeitstandard.

Heute entspricht eine Sekunde genau 9.192.631.770 Strahlungsperioden, 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 durch die Kombination von Daten aus Zeitspeicherlabors verschiedener Länder sowie Daten des Internationalen Erdrotationsdienstes gebildet. Seine Genauigkeit ist fast eine Million Mal höher als die astronomische Greenwich Mean Time.

Es wurde eine Technologie entwickelt, die die Größe und Kosten ultrapräziser Atomuhren radikal reduzieren wird, was ihren breiten Einsatz in mobilen Geräten für die unterschiedlichsten Zwecke ermöglicht. Wissenschaftlern ist es gelungen, einen atomaren Zeitstandard von ultrakleiner Größe zu schaffen. Solche Atomuhren verbrauchen weniger als 0,075 W und haben einen Fehler von nicht mehr als einer Sekunde in 300 Jahren.

Einer US-Forschungsgruppe ist es gelungen, einen ultrakompakten Atomstandard zu schaffen. Es ist möglich, Atomuhren mit gewöhnlichen AA-Batterien zu betreiben. Hochpräzise Atomuhren, meist mindestens einen Meter hoch, wurden in einem Volumen von 1,5 x 1,5 x 4 mm untergebracht

In den USA wurde eine experimentelle Atomuhr entwickelt, die auf einem einzelnen Quecksilberion basiert. Sie sind fünfmal genauer als Cäsium, das als internationaler Standard gilt. Cäsiumuhren sind so genau, dass es 70 Millionen Jahre dauert, bis eine Abweichung von einer Sekunde erreicht wird, während dieser Zeitraum bei Quecksilberuhren 400 Millionen Jahre beträgt.

Im Jahr 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 ersten Uhren in Russland

Im Jahr 1412 wurde in Moskau im Hof des Großherzogs hinter der Verkündigungskirche eine Uhr aufgestellt, die von Lazar, einem serbischen Mönch, der aus dem serbischen Land stammte, angefertigt wurde. Leider ist keine Beschreibung dieser ersten Uhren in Russland erhalten.

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Wie entstand die Schlaguhr auf dem Spasskaja-Turm des Moskauer Kremls?

Im 17. Jahrhundert fertigte der Engländer Christopher Galloway Glockenspiele für den Spasskaja-Turm: Der Stundenkreis war in 17 Sektoren unterteilt, der einzige Uhrzeiger war stationär, nach unten gerichtet und zeigte auf eine Zahl auf dem Zifferblatt, aber das Zifferblatt selbst drehte sich.

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 allerdings bei Langzeitmessungen eine höhere Stabilität aufweisen. Bei Quarzuhren werden unregelmäßige Bewegungen durch Veränderungen in der inneren Struktur des Quarzes und Instabilität der elektronischen Systeme verursacht.

Die Hauptursache für Frequenzinstabilität ist die Alterung des Quarzkristalls, der die Oszillatorfrequenz synchronisiert. Messungen haben zwar gezeigt, dass die mit einer Frequenzerhöhung einhergehende Alterung des Kristalls ohne große Schwankungen und plötzliche Veränderungen abläuft. Trotz. Diese Alterung beeinträchtigt den ordnungsgemäßen Betrieb einer Quarzuhr und erfordert eine regelmäßige Überwachung durch ein anderes Gerät mit einem Oszillator, der einen stabilen, unveränderlichen Frequenzgang aufweist.

Die rasante Entwicklung der Mikrowellenspektroskopie nach dem Zweiten Weltkrieg eröffnete neue Möglichkeiten zur präzisen Zeitmessung durch Frequenzen, die geeigneten Spektrallinien entsprechen. Diese Frequenzen, die als Frequenznormale gelten könnten, führten zu der Idee, einen Quantenoszillator als Zeitnormal zu verwenden.

Diese Entscheidung war eine historische Wende in der Geschichte der Chronometrie, denn sie bedeutete die Ablösung der bisher gültigen astronomischen Zeiteinheit durch eine neue Quantenzeiteinheit. Diese neue Zeiteinheit wurde als Strahlungsperiode genau definierter Übergänge zwischen den Energieniveaus der Moleküle einiger speziell ausgewählter Substanzen eingeführt. Nach intensiver Erforschung dieses Problems in den ersten Nachkriegsjahren gelang es, ein Gerät zu bauen, das auf dem Prinzip der kontrollierten Absorption von Mikrowellenenergie in flüssigem Ammoniak bei sehr niedrigen Drücken basiert. Die ersten Experimente mit einem mit einem Absorptionselement ausgestatteten Gerät lieferten jedoch nicht die erwarteten Ergebnisse, da die durch gegenseitige Kollisionen von Molekülen verursachte Erweiterung der Absorptionslinie 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 Townes von der Columbia University gelang es, die Wahrscheinlichkeit gegenseitiger Kollisionen von Molekülen deutlich zu reduzieren 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 abgegeben wird, durchläuft ein ungleichmäßiges elektrostatisches Feld, in dem die Moleküle getrennt werden. Moleküle in einem höheren Quantenzustand wurden zu einem abgestimmten Resonator geleitet, wo sie elektromagnetische Energie mit einer konstanten Frequenz von 23.870.128.825 Hz freisetzten. Diese Frequenz wird dann mit der Frequenz des Quarzoszillators verglichen, der in der Atomuhrschaltung enthalten ist. Der erste Quantengenerator, der Ammoniak-Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), wurde nach diesem Prinzip gebaut.

N.G. Basov, A.M. Für diese Arbeit erhielten Prokhorov und Townes 1964 den Nobelpreis für Physik.

Auch Wissenschaftler aus der Schweiz, Japan, Deutschland, Großbritannien, Frankreich und nicht zuletzt der Tschechoslowakei untersuchten die Stabilität der Frequenz von Ammoniak-Masern. Im Zeitraum 1968-1979. Am Institut für Funktechnik und Elektronik der Tschechoslowakischen Akademie der Wissenschaften wurden mehrere Ammoniak-Maser gebaut und in den Probebetrieb genommen, die als Frequenzstandards für die präzise Zeitspeicherung in tschechoslowakischen Atomuhren dienten. Sie erreichten eine Frequenzstabilität in der Größenordnung von 10-10, was täglichen Schwankungen von 20 Millionstelsekunden entspricht.

Derzeit werden Atomfrequenz- und Zeitstandards hauptsächlich für zwei Hauptzwecke verwendet: zur Zeitmessung und zur Kalibrierung und Überwachung von Basalfrequenzstandards. In beiden Fällen wird die Frequenz des Quarztaktgenerators mit der Frequenz des Atomnormals verglichen.

Bei der Zeitmessung werden regelmäßig die Frequenz des Atomnormals und die Frequenz des Kristalltaktgenerators verglichen und anhand der festgestellten Abweichungen eine lineare Interpolation und die durchschnittliche Zeitkorrektur ermittelt. Die tatsächliche Zeit wird dann aus der Summe der Quarzuhranzeigen und dieser durchschnittlichen Zeitkorrektur ermittelt. In diesem Fall wird der aus der Interpolation resultierende Fehler durch die Art der Alterung des Quarzuhrglases bestimmt.

Die außergewöhnlichen Ergebnisse, die mit atomaren Zeitnormalen mit einem Fehler von nur 1 s pro tausend Jahre erzielt wurden, waren der Grund, warum auf der Dreizehnten Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Oktober 1967 in Paris eine neue Definition der Zeiteinheit gegeben wurde - eine Atomsekunde, die nun als 9.192.631.770 Schwingungen der Strahlung eines Cäsium-133-Atoms definiert wurde.

Wie wir oben angedeutet haben, nimmt mit zunehmender Alterung eines Quarzkristalls die Schwingungsfrequenz des Quarzoszillators allmählich zu und die Differenz zwischen den Frequenzen des Quarzoszillators und des Atomoszillators nimmt kontinuierlich zu. Wenn die Kristallalterungskurve korrekt ist, reicht es aus, die Quarzschwingungen nur periodisch, zumindest im Abstand von mehreren Tagen, zu korrigieren. Auf diese Weise muss der Atomoszillator nicht dauerhaft an das Quarzuhrsystem gekoppelt sein, was sehr vorteilhaft ist, da das Eindringen von Störeinflüssen in das Messsystem begrenzt ist.

Eine Schweizer Atomuhr mit zwei Ammoniak-Molekularoszillatoren, die 1958 auf der Weltausstellung in Brüssel vorgestellt wurde, erreichte eine Genauigkeit von einer Hunderttausendstelsekunde pro Tag, was etwa tausendmal genauer ist als präzise Pendeluhren. Diese Genauigkeit ermöglicht es bereits, periodische Instabilitäten der Rotationsgeschwindigkeit der Erdachse zu untersuchen. Diagramm in Abb. 39, eine Art Darstellung der historischen Entwicklung chronometrischer Instrumente und der Verbesserung der Methoden zur Zeitmessung, zeigt, wie sich die Genauigkeit der Zeitmessung über mehrere Jahrhunderte hinweg fast wie durch ein Wunder erhöht hat. 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 Cäsium, dessen Atome unter richtig gewählten Bedingungen in der Lage sind, elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von etwa 9192 MHz zu absorbieren. Diese Eigenschaft nutzten Sherwood und McCracken, um den ersten Cäsiumstrahlresonator zu entwickeln. Bald darauf richtete L. Essen, der am National Physical Laboratory in England arbeitete, seine Bemühungen auf die praktische Verwendung eines Cäsiumresonators zur Messung von Frequenzen und Zeit. In Zusammenarbeit mit der astronomischen Gruppe United States Nevel Observatory arbeitete er bereits 1955–1958. bestimmte die Frequenz des Quantenübergangs von Cäsium bei 9.192.631.770 Hz und verknüpfte sie mit der damals aktuellen Definition der Ephemeridensekunde, was viel später, wie oben erwähnt, zur Festlegung einer neuen Definition der Zeiteinheit führte. Die folgenden Cäsiumresonatoren wurden am National Research Council of Canada in Ottawa, im Labor Swiss des Researches Horlogeres in Neuchâtel usw. konstruiert. Der erste kommerzielle Typ einer industriell hergestellten Atomuhr wurde 1956 unter dem Namen Atomichron auf den Markt gebracht Amerikanisches Unternehmen „National Company Walden“ in Massachusetts.

Die Komplexität von Atomuhren legt nahe, dass der Einsatz von Atomoszillatoren nur im Bereich der Laborzeitmessung mit großen Messgeräten möglich ist. Tatsächlich war dies bis vor Kurzem der Fall. Allerdings hat die Miniaturisierung auch in diesem Bereich Einzug gehalten. Das berühmte japanische Unternehmen Seiko-Hattori, das komplexe Chronographen mit Quarzoszillatoren herstellt, bot die erste Atomarmbanduhr an, die wiederum in Zusammenarbeit mit dem amerikanischen Unternehmen McDonnell Douglas Astronautics Company hergestellt wurde. Dieses Unternehmen produziert auch eine Miniatur-Brennstoffzelle, die als Energiequelle für die genannten Uhren dient. Elektrische Energie in diesem Element misst 13? 6,4 mm ergeben das Radioisotop Promethium-147; Die Lebensdauer dieses Elements beträgt fünf Jahre. Das aus Tantal und Edelstahl gefertigte Uhrengehäuse bietet ausreichenden Schutz vor den in die Umwelt abgegebenen Betastrahlen des Elements.

Astronomische Messungen, die Untersuchung der Bewegung von Planeten im Weltraum und verschiedene Studien der Radioastronomie kommen heute nicht mehr ohne die Kenntnis der genauen Zeit aus. Die von Quarz- oder Atomuhren geforderte Genauigkeit variiert in solchen Fällen innerhalb von Millionstelsekunden. Mit zunehmender Genauigkeit der bereitgestellten Zeitinformationen wuchsen die Probleme der Uhrensynchronisation. Die einst völlig zufriedenstellende Methode der Funkübertragung von Zeitsignalen auf Kurz- und Langwellen erwies sich als nicht ausreichend genau, um zwei nahe beieinander stehende Zeitmessgeräte mit einer Genauigkeit von mehr als 0,001 s zu synchronisieren, und jetzt ist selbst diese Genauigkeit nicht mehr gegeben mehr zufriedenstellend.

Eine mögliche Lösung – der Transport von Hilfsuhren an den Ort der Vergleichsmessungen – war die Miniaturisierung elektronischer Elemente. Anfang der 60er Jahre wurden spezielle Quarz- und Atomuhren gebaut, die in Flugzeugen transportiert werden konnten. Sie konnten zwischen astronomischen Laboren transportiert werden und lieferten gleichzeitig Zeitinformationen mit einer Genauigkeit von einer Millionstelsekunde. Als beispielsweise 1967 Miniatur-Cäsiumuhren der kalifornischen Firma Hewlett-Packard interkontinental transportiert wurden, durchlief dieses Gerät 53 Labore auf der ganzen Welt (es befand sich auch in der Tschechoslowakei) und mit seiner Hilfe wurden die lokalen Uhren genau synchronisiert 0,1 µs (0,0000001 s).

Kommunikationssatelliten können auch für Zeitvergleiche im Mikrosekundenbereich verwendet werden. 1962 nutzten Großbritannien und die Vereinigten Staaten von Amerika diese Methode, indem sie ein Zeitsignal über den Telestar-Satelliten übermittelten. Wesentlich günstigere Ergebnisse bei geringeren Kosten wurden jedoch durch die Übertragung von Signalen mittels Fernsehtechnik erzielt.

Diese Methode zur Übertragung präziser Zeit und Frequenz mithilfe von Fernsehtaktimpulsen wurde in tschechoslowakischen wissenschaftlichen Einrichtungen entwickelt und entwickelt. Hilfsträger der Zeitinformation sind hier die synchronisierenden Videoimpulse, die die Übertragung des 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 Standorten der verglichenen Uhren das gleiche Fernsehprogramm empfangen werden kann. Die zu vergleichenden Uhren werden auf wenige Millisekunden genau voreingestellt und die Messung muss dann an allen Messstationen gleichzeitig durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es notwendig, den Zeitunterschied zu kennen, der erforderlich ist, um Synchronimpulse von einer gemeinsamen Quelle, einem Fernsehsynchronisierer, an die Empfänger am Standort der zu vergleichenden Uhren zu übertragen.

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Atomreaktoren und elektronische Kristalle Konstantin Chilovsky (geb. 1881), russischer Ingenieur, Erfinder. Erfand ein Gerät zur Erkennung von U-Booten, das im Ersten Weltkrieg (1914–1918) weit verbreitet war. Für seine Erfindung wurde er mit dem französischen Orden ausgezeichnet.

Erstens nutzt die Menschheit Uhren als Mittel zur Programmzeitsteuerung.

Zweitens ist die Zeitmessung heute 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, sie zu verwenden Atome, die aufgrund ihrer Schwingungen die Regulatoren der Atomuhr sind. Cäsiumatome befinden sich in zwei Energiezuständen, die wir benötigen (+) und (-). Elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 9.192.631.770 Hertz entsteht, wenn Atome vom (+)-Zustand in den (-)-Zustand wechseln und so einen präzisen, konstanten periodischen Prozess erzeugen – den Regulator des Atomuhr-Codes.

Damit Atomuhren genau funktionieren, muss Cäsium in einem Ofen verdampft werden, wobei seine Atome freigesetzt werden. Hinter dem Ofen befindet sich ein Sortiermagnet, der Atome im (+)-Zustand fassen kann und in dem die Atome durch Einstrahlung im Mikrowellenfeld in den (-)-Zustand übergehen. Der zweite Magnet leitet die Atome, deren Zustand (+) in (-) geändert wurde, in das Empfangsgerät. Viele Atome, die ihren Zustand geändert haben, entstehen nur, wenn die Frequenz des Mikrowellensenders genau mit der Cäsiumschwingungsfrequenz von 9.192.631.770 Hertz übereinstimmt. Andernfalls nimmt die Anzahl der Atome (-) im Empfangsgerät ab.

Die Geräte überwachen und regeln ständig die konstante Frequenz von 9.192.631.770 Hertz. Damit ist der Traum der Uhrendesigner wahr geworden, ein absolut konstanter periodischer Prozess wurde gefunden: eine Frequenz von 9.192.631.770 Hertz, die den Gang von Atomuhren regelt.

Aufgrund einer internationalen Vereinbarung wird heute eine Sekunde als die Strahlungsperiode multipliziert mit 9.192.631.770 definiert, was dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands des Cäsiumatoms (Isotop Cäsium-133) entspricht.

Um die genaue Zeit zu messen, können Sie auch Schwingungen anderer Atome und Moleküle verwenden, beispielsweise von Atomen von Kalzium, Rubidium, Cäsium, Strontium, Wasserstoffmolekülen, Jod, Methan usw. Als Frequenz wird jedoch die Strahlung des Cäsiumatoms erkannt Standard. Um die Schwingungen verschiedener Atome mit einem Standard (Cäsium) zu vergleichen, wurde ein Titan-Saphir-Laser entwickelt, der ein breites Spektrum an Frequenzen im Bereich von 400 bis 1000 nm erzeugt.

Der erste Erfinder von Quarz- und Atomuhren war ein englischer Experimentalphysiker Essen Lewis (1908-1997). 1955 schuf er mit einem Strahl aus Cäsiumatomen das erste atomare Frequenz-(Zeit-)Normal. Als Ergebnis dieser Arbeit entstand 3 Jahre später (1958) ein Zeitdienst auf Basis des Atomfrequenznormals.

In der UdSSR stellte der Akademiker Nikolai Gennadijewitsch Basow seine Ideen zur Schaffung einer Atomuhr vor.

Also, Atomuhr, Eine der präzisen Uhrenarten ist ein Gerät zur Zeitmessung, bei dem die Eigenschwingungen von Atomen oder Molekülen als Pendel genutzt werden. Die Stabilität von Atomuhren ist die beste aller existierenden Uhrentypen, was der Schlüssel zu höchster Genauigkeit ist. Der Atomuhrengenerator erzeugt im Gegensatz zu herkömmlichen Uhren mehr als 32.768 Impulse pro Sekunde. Atomschwingungen hängen nicht von Lufttemperatur, Vibrationen, Luftfeuchtigkeit und vielen anderen äußeren Faktoren ab.

In der modernen Welt, in der es ohne Navigation einfach nicht mehr auskommt, sind Atomuhren zu unverzichtbaren Helfern geworden. Sie sind in der Lage, den Standort eines Raumschiffs, Satelliten, einer ballistischen Rakete, eines Flugzeugs, eines U-Boots oder eines Autos automatisch über Satellitenkommunikation zu bestimmen.

Daher galten seit 50 Jahren Atomuhren bzw. Cäsiumuhren als die genauesten. Sie werden seit langem von Zeitdiensten genutzt und auch von einigen Radiosendern werden Zeitsignale ausgestrahlt.

Das Atomuhrgerät besteht aus 3 Teilen:

Quantendiskriminator,

Quarzoszillator,

Elektronikkomplex.

Der Quarzoszillator erzeugt eine Frequenz (5 oder 10 MHz). Der Oszillator ist ein RC-Funkgenerator, der piezoelektrische Moden eines Quarzkristalls als Resonanzelement nutzt, in dem Atome, deren Zustand (+) in (-) geändert wurde, verglichen werden. Um die Stabilität zu erhöhen, wird seine Frequenz ständig mit den Schwingungen von verglichen ein Quantendiskriminator (Atome oder Moleküle). Bei einem Schwingungsunterschied stellt die Elektronik die Frequenz des Quarzoszillators auf Null ein und erhöht so die Stabilität und Ganggenauigkeit der Uhr auf das gewünschte Niveau.

In der modernen Welt können Atomuhren in jedem Land der Welt für den täglichen Gebrauch hergestellt werden. Sie sind sehr klein und schön. Die neueste Atomuhr ist nicht größer als eine Streichholzschachtel und hat einen geringen Stromverbrauch von weniger als 1 Watt. Und das ist nicht die Grenze, vielleicht wird der technische Fortschritt in Zukunft auch Mobiltelefone erreichen. Mittlerweile werden kompakte Atomuhren nur noch auf strategischen Raketen installiert, um die Navigationsgenauigkeit um ein Vielfaches zu erhöhen.

Heute können in Online-Shops Herren- und Damen-Atomuhren für jeden Geschmack und Geldbeutel gekauft werden.

Im Jahr 2011 wurde die kleinste Atomuhr der Welt von Spezialisten von Symmetricom und Sandia National Laboratories entwickelt. Diese Uhr ist 100-mal kompakter als frühere, im Handel erhältliche Versionen. Die Größe eines Atomchronometers ist nicht größer als eine Streichholzschachtel. Für den Betrieb benötigt er lediglich 100 mW Leistung – das ist 100-mal weniger im Vergleich zu seinen Vorgängern.

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 ausgesendet werden.

Solche Uhren werden in der Navigation sowie bei der Arbeit von Bergleuten und Tauchern eingesetzt, wo eine genaue Synchronisierung der Zeit mit Kollegen an der Oberfläche sowie bei präzisen Zeitdiensten erforderlich ist, da der Fehler von Atomuhren weniger als 0,000001 Bruchteile beträgt einer Sekunde pro Tag. Die Kosten für die kleine Rekord-Atomuhr Symmetricom betrugen etwa 1.500 US-Dollar.

Ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass Ihre Uhren in Ihrem Haus unterschiedliche Zeiten anzeigen? Und woher wissen Sie, welche der Optionen richtig ist? Die Antworten auf all diese Fragen erfahren wir, indem wir das Funktionsprinzip von Atomuhren gründlich studieren.

Atomuhr: Beschreibung und Funktionsprinzip

Lassen Sie uns zunächst verstehen, was der Atomuhrmechanismus ist. Eine Atomuhr ist ein Gerät, mit dem die Zeit gemessen wird, aber sie nutzt ihre eigenen Schwingungen als Periodizität des Prozesses, und alles geschieht auf atomarer und molekularer Ebene. Daher diese Genauigkeit.

Man kann mit Sicherheit sagen, dass Atomuhren die genauesten sind! Ihnen ist es zu verdanken, dass das Internet und die GPS-Navigation auf der Welt funktionieren; wir kennen die genaue Position der Planeten im Sonnensystem. Der Fehler dieses Geräts ist so gering, dass wir mit Sicherheit sagen können, dass es Weltklasse ist! Dank der Atomuhr findet die gesamte Weltsynchronisation statt, es ist bekannt, wo bestimmte Veränderungen stattfinden.

Wer hat diese Wunderuhr erfunden, wer hat sie geschaffen und wer hat sie erfunden?

Bereits in den frühen vierziger Jahren des 20. Jahrhunderts war der Atomstrahl der Magnetresonanz bekannt. Die Anwendung hatte zunächst nichts mit Uhren zu tun, sondern war nur eine Theorie. Doch bereits 1945 schlug Isidor Rabi vor, ein Gerät zu entwickeln, dessen Konzept darin bestand, dass es auf der oben beschriebenen Technik basieren würde. Sie waren jedoch so konzipiert, dass sie keine genauen Ergebnisse lieferten. Und bereits 1949 informierte das National Bureau of Standards die ganze Welt über die Entwicklung der ersten Atomuhr, die auf molekularen Ammoniakverbindungen basierte, und bereits 1952 wurden Technologien zur Erstellung eines Prototyps auf Basis von Cäsiumatomen beherrscht.

Nachdem man von Ammoniak- und Cäsiumatomen gehört hat, stellt sich die Frage: Ist diese wunderbare Uhr radioaktiv? Die Antwort ist klar: Nein! In ihnen findet kein atomarer Zerfall statt.

Heutzutage gibt es viele Materialien, aus denen Atomuhren hergestellt werden. Dies sind beispielsweise Silizium, Quarz, Aluminium und sogar Silber.

Wie funktioniert das Gerät?

Lassen Sie uns herausfinden, wie eine Atomuhr aussieht und wie sie funktioniert. Dazu bieten wir eine Beschreibung ihrer Arbeit:

Für die korrekte Funktion dieser besonderen Uhr ist weder ein Pendel noch ein Quarzoszillator erforderlich. Sie nutzen Signale, die beim Quantenübergang eines einzelnen Elektrons zwischen zwei Energieniveaus eines Atoms entstehen. Dadurch können wir eine elektromagnetische Welle beobachten. Mit anderen Worten: Wir erhalten häufige Schwankungen und eine extrem hohe Systemstabilität. Aufgrund neuer Erkenntnisse werden die Prozesse jedes Jahr modernisiert. Vor nicht allzu langer Zeit wurden Spezialisten des National Institute of Standards and Technology (NIST) Rekordhalter und stellten einen absoluten Weltrekord auf. Sie konnten die Genauigkeit der Atomuhr (basierend auf Strontium) auf die kleinste Abweichung bringen, nämlich: In 15 Milliarden Jahren vergeht eine Sekunde. Ja, ja, das haben Sie nicht gedacht, das ist genau das Alter, das unserem Universum derzeit zugeordnet wird. Das ist eine kolossale Entdeckung! Schließlich war es Strontium, das bei dieser Platte die wichtigste Rolle spielte. Ein Analogon der „Zecke“ waren die sich bewegenden Strontiumatome in ihrem räumlichen Gitter, die Wissenschaftler mit einem Laser erzeugten. Wie immer in der Wissenschaft scheint in der Theorie alles bezaubernd und bereits verbessert zu sein, aber die Instabilität eines solchen Systems könnte sich in der Praxis als weniger erfreulich erweisen. Gerade wegen seiner Instabilität erfreut sich das Cäsiumgerät weltweiter Beliebtheit.

Schauen wir uns nun an, woraus ein solches Gerät besteht. Die wichtigsten Details hier sind:

Quantendiskriminator;
Quarzgenerator;
Elektronik.

Ein Quarzoszillator ähnelt einem Selbstoszillator, aber um ein Resonanzelement zu erzeugen, nutzt er piezoelektrische Moden eines Quarzkristalls.

Mit einem Quantendiskriminator und einem Quarzoszillator werden sie unter dem Einfluss ihrer Frequenz verglichen und wenn ein Unterschied festgestellt wird, erfordert die Rückkopplungsschaltung, dass sich der Quarzoszillator an den erforderlichen Wert anpasst und die Stabilität und Genauigkeit erhöht. Dadurch sehen wir am Ausgang den genauen Wert auf dem Zifferblatt und damit die genaue Uhrzeit.

Frühe Modelle waren recht groß, doch im Oktober 2013 sorgte die Firma Bathys Hawaii mit der Veröffentlichung einer Miniatur-Atomarmbanduhr für Furore. Zuerst hielten alle diese Aussage für einen Witz, aber bald wurde klar, dass sie tatsächlich wahr war, und zwar so arbeitet auf Basis einer Atomquelle Cäsium 133. Die Sicherheit des Geräts wird dadurch gewährleistet, dass das radioaktive Element in Form eines Gases in einer speziellen Kapsel enthalten ist. Fotos dieses Geräts haben sich auf der ganzen Welt verbreitet.

Viele Leute, die sich mit Atomuhren beschäftigen, interessieren sich für das Thema Energiequelle. Als Batterie kommt ein Lithium-Ionen-Akku zum Einsatz. Leider ist noch nicht bekannt, wie lange eine solche Batterie halten wird.

Die Uhr von BathysHawaii war wirklich die erste Atomarmbanduhr. Zuvor waren bereits Fälle bekannt, in denen ein relativ tragbares Gerät auf den Markt kam, das jedoch leider nicht über eine atomare Energiequelle verfügte, sondern nur über Funk mit einer echten Dimensionsuhr synchronisiert wurde. Erwähnenswert sind auch die Kosten für ein solches Gerät. Das Vergnügen wurde mit 12.000 US-Dollar bewertet. Es war klar, dass die Uhr bei einem solchen Preis keine große Popularität erlangen würde, aber das Unternehmen strebte dies nicht an, da es sie in einer sehr begrenzten Auflage herausbrachte.

Wir kennen verschiedene Arten von Atomuhren. Es gibt keine wesentlichen Unterschiede in ihrem Design und ihren Prinzipien, aber es gibt dennoch einige Unterschiede. Die wichtigsten sind also die Mittel zum Auffinden von Veränderungen und deren Elemente. Folgende Uhrentypen lassen sich unterscheiden:

Wasserstoff. Ihr Wesen liegt darin, dass Wasserstoffatome auf dem erforderlichen Energieniveau gehalten werden, die Wände jedoch aus einem speziellen Material bestehen. Daraus schließen wir, dass es Wasserstoffatome sind, die sehr schnell ihren Energiezustand verlieren.
Cäsium. Sie basieren auf Cäsiumträgern. Es ist erwähnenswert, dass diese Uhren die genauesten sind.
Rubidium. Sie sind die einfachsten und sehr kompakten.

Wie bereits erwähnt, sind Atomuhren ein sehr teures Gerät. Damit ist die Hoptroff-Taschenuhr Nr. 10 ein leuchtender Vertreter einer neuen Spielzeuggeneration. Der Preis für solch ein stilvolles und sehr präzises Accessoire beträgt 78.000 Dollar. Es wurden nur 12 Exemplare hergestellt. Der Mechanismus dieses Geräts nutzt ein Hochfrequenz-Schwingsystem, das auch mit einem GPS-Signal ausgestattet ist.

Das Unternehmen begnügte sich damit nicht und möchte in seiner zehnten Version der Uhr die Methode anwenden, den Mechanismus in einem Goldgehäuse zu platzieren, das auf einem beliebten 3D-Drucker gedruckt wird. Es wurde noch nicht genau berechnet, wie viel Gold für diese Gehäuseversion verwendet wird, aber der geschätzte Verkaufspreis dieses Meisterwerks ist bereits bekannt – er betrug etwa 50.000 Pfund Sterling. Und dies ist nicht der endgültige Preis, obwohl er alle Forschungsvolumina sowie die Neuheit und Einzigartigkeit des Gadgets selbst berücksichtigt.

Historische Fakten zur Verwendung von Uhren

Wie können wir über Atomuhren sprechen, ohne die interessantesten Fakten zu erwähnen, die mit ihnen und der Zeit im Allgemeinen verbunden sind:

Wussten Sie, dass die älteste Sonnenuhr im alten Ägypten gefunden wurde?
Der Fehler von Atomuhren ist minimal – er beträgt nur 1 Sekunde pro 6 Millionen Jahre.
Jeder weiß, dass eine Minute 60 Sekunden hat. Aber nur wenige haben sich damit beschäftigt, wie viele Millisekunden eine Sekunde hat? Und davon gibt es nicht viele und nicht wenige – tausend!
Jeder Tourist, der London besuchen konnte, wollte Big Ben immer mit eigenen Augen sehen. Aber leider wissen nicht viele Menschen, dass Big Ben überhaupt kein Turm ist, sondern der Name einer riesigen Glocke, die 13 Tonnen wiegt und im Inneren des Turms läutet.
Haben Sie sich jemals gefragt, warum die Zeiger unserer Uhren von links nach rechts oder, wie wir früher sagten, „im Uhrzeigersinn“ gehen? Diese Tatsache steht in direktem Zusammenhang mit der Art und Weise, wie sich der Schatten auf einer Sonnenuhr bewegt.
Die allerersten Armbanduhren wurden bereits 1812 erfunden. Sie wurden vom Gründer von Breguet für die Königin von Neapel hergestellt.
Galten Armbanduhren vor dem Ersten Weltkrieg nur als Damenaccessoire, wurden sie aufgrund ihrer Bequemlichkeit bald auch von der männlichen Bevölkerungsgruppe gewählt.