Frequenznormale

Darstellung der Einheiten von Zeit und Frequenz

Die SI-Einheit der Zeit, die Sekunde (s), war seit der 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1967 folgendermaßen definiert:

Die Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cäsium-133 entsprechenden Strahlung.

Daraus abgeleitet wird die Größe Frequenz mit der Einheit Hertz (Hz), wobei die Gleichung 1 Hz = 1 s-1 gilt.

Mit der Neudefinition der Basiseinheiten durch die 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht gilt seit 20. Mai 2019 folgende Formulierung:

Die Sekunde, Einheitenzeichen s, ist die SI-Einheit der Zeit. Sie ist definiert, indem für die Cäsiumfrequenz ΔνCs, der Frequenz des ungestörten Hyperfeinübergangs des Grundzustands des Cäsiumatoms 133, der Zahlenwert
9 192 631 770 festgelegt wird, ausgedrückt in der Einheit Hz, die gleich s-1 ist.

Realisiert wird die Sekunde mit einem Zeit- und Frequenznormal, das heutzutage eine so genannte 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 10-13) 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 ermöglichen eine weitere Verbesserung der Frequenzstandards, da statt einem Mikrowellenübergang im Gigahertzbereich die tausendfach höheren Frequenzen im optischen Frequenzbereich verwendet werden. Mittelfristig ist auch eine diesbezügliche Neudefinition der Sekunde zu erwarten.

Weiterführende Literatur:

  • The Measurement of Time, Claude Audoin, Bernard Guinot, Cambridge University Press, 2001
  • Frequency Standards, Fritz Riehle, Wiley-VCH, 2004