Darstellung der Einheiten von Zeit und Frequenz
Die SI-Einheit der Zeit, die Sekunde (s), ist seit der 13. Generalkonferenz
für Maß und Gewicht im Jahr 1967 folgendermaßen definiert:
Die Sekunde ist gleich der Dauer von 9 192 631 770 Schwingungen der
Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des Cäsiumatoms-133 entspricht.
Daraus
abgeleitet wird die Größe Frequenz mit der Einheit Hertz (Hz), wobei die Gleichung 1 Hz = 1 s-1 gilt.
Realisiert wird die
Sekunde mit einem Zeit- und Frequenznormal, das heutzutage eine sogenannte Atomuhr ist.
Neben den Cäsium-Frequenznormalen als
hochgenaue Standards in den unterschiedlichen Ausführungen wurden Rubidium-Frequenznormale und Wasserstoffmaser entwickelt.
Diese Cäsium-Frequenznormale basieren auf der Messung der Frequenz des quantenmechanischen Übergangs, die durch die Definition der Einheit Sekunde festgelegt ist. Dabei wird in einem thermischen Atomstrahl durch Mikrowellen-Anregung der Übergang der Atome in den angeregten Zustand induziert. An einem Detektor wird die Anzahl der angeregten Atome bestimmt. Die Frequenz des internen Quarzoszillators wird auf eine Maximalzahl der angeregten Atome am Detektor stabilisiert. Dieser Prozess kann derart genau kontrolliert werden, dass solche Atomuhren eine sehr geringe Frequenzabweichung (relative Frequenzabweichung ca. 5 x 10-14) und eine sehr große Ganggenauigkeit
(1
Sekunde Abweichung in 1 Million Jahre) erreichen.
Die Entwicklungen der sogenannten Cs-Fontänen schaffen so geringe relative
Frequenzabweichungen, dass diese im Bereich von 10-15 liegen. Für eine hochgenaue Kurzzeitstabilität eignen sich besonders Wasserstoffmaser.
Die jüngsten Forschungsentwicklungen gehen in die Richtung Optischer Frequenznormale und lassen auf eine weitere Verbesserung der
Frequenzstandards hoffen, da statt einem Mikrowellenübergang im Gigahertzbereich die tausendfach höheren Frequenzen im optischen Frequenzbereich
verwendet würden. Möglicherweise wird in Zukunft dadurch auch eine Neudefinition der Sekunde notwendig.
Weiterführende
Literatur:
· Frequency
Standards, Fritz Riehle, Wiley-VCH, 2004
