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So, jetzt habe ich mir etwas vorgenommen. Ich habs mir auch erst heute angelesen und finde es ziemlich spannend: Wie funktioniert eine Atomuhr?

Grundsätzlich warum muss man Zeit so genau messen? Man sagt eine Atomuhr geht nur um 1 Sekunde daneben in Millionen von Jahren. Das ist eine sehr schlechte Darstellung, wie ich finde, noch schlechter als Flächen in Fußballfeldern zu messen. Denn die doofe aber berechtigte Entgegnung darauf ist doch wohl: Wer will denn so lange messen? Na das ist es ja eben nicht, niemand will so lange messen, aber man will so genau oder so kurze Zeiten messen können und trotzdem über lange Zeit eine absolut stabile Referenz haben, z.B. in Anwendung in der Kommunikation.

Die Grundidee ist einfach: Man nehme einen recht genauen Zeitgeber (etwas “klassisches”, eine Quarzuhr) und stelle sie immer und immer wieder nach wenn man feststellt, dass sie nicht ganz genau geht, indem man sie mit einer Größe vergleicht die man sehr genau kennt. Und das ist der interessante Teil, wie man das anstellt. Dazu nimmt man die Frequenz einer Mikrowelle her, die man genau kennt. Man stelle sich vor man stellt sich neben so eine Welle und zählt, wie oft pro Sekunde ein Wellenberg vorbeikommt, das ist die Frequenz. Die Welle, die meistens bei Atomuhren verwendet wird, stammt aus Caesium 133, und da kommt 9.162 Milliarden mal pro Sekunde ein Wellenberg vorbei. Sozusagen. Elektromagnetische Wellen, z.B. Mikrowellen aber auch Lichtwellen, werden in Atomen ausgesandt wenn ein Elektron von einer höheren Bahn auf eine niedrigere fällt. Die Wellenlänge des ausgesandten Lichtes hängt dabei vom Energieabstand zwischen den Bahnen ab. Eine hohe Frequenz deutet auf einen sehr kleinen Energieunterschied hin, bei dem Caesium-Übergang den man verwendet spricht man von einem Hyperfeinstruktur-Übergang. Klingt mysteriös, lässt sich aber erklären.

Erstmal: Warum sind Elektronen überhaupt auf bestimmten Bahnen? Eine grundlegende und wichtige Tatsache der Quantenphysik ist es, dass Fermionen (z.B. Elektronen) ziemlich egoistisch sind. Die dulden nämlich nicht dass ein anderes Elektron genau wie sie ist. Das “Aussehen” eines Elektron wird durch seine Quantenzahlen bestimmt, wir bleiben jetzt bei gebundenen Elektronen im Atom. Die Quantenzahlen bestimmen auch die Energie die das Elektron hat, denn sie stammen von seinen Bewegungseigenschaften bzw. seinen elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Deswegen haben die Elektronen verschiedene Bahnen im Atom: Sie dulden keine weiteren Elektronen auf ihrer Bahn die genau die gleichen Quantenzahlen haben. Die Hauptquantenzahl bestimmt die Bahn, aber daneben gibt es weitere Zahlen wie den berühmt-berüchtigten Spin, der eine dem teilchen eigene magnetische Größe darstellt und beim Elektron hoch (”psin up”) oder runter (”spin down”) zeigen kann. So kann dann doch auf jeder Bahn (genauer: in jedem Orbital) ein Grüppchen Elektronen gesammelt sein. Würde ein Elektron nicht mit anderen elektromagnetischen Quellen wechselwirken, würden alle Elektronen auf einer Bahn genau die gleiche Energie haben. Man sagt, die Elektronen besetzen einen entarteten Zustand.
Aber die Elektronen wechselwirken eben doch, und zwar fleißig: Mit anderen Elektronen, mit der eigenen Bahn, mit externen Magnetfelder oder aber auch mit dem Atomkern. Dadurch kommt es zu kleinen Energieverschiebungen, die Bahnen spalten sich auf. z.B. nennt man Feinstruktur die Aufspaltung durch Elektron-Elektron-Wechselwirkung und Hyperfeinstruktur die Wechselwirkung mit dem Kern (hyperfein weil die Energieunterschiede sehr sehr klein sind und man sehr fein aufgelöst messen muss um sie zu erkennen.)

Jetzt sind normalerweise Elektronen ziemliche couch potatoes. Sie dürfen zwar nicht alle im niedrigsten Energiezustand (kleinste Quantenzahlen) sein, aber nehmen doch den für sie bequemsten erreichbaren Zustand ein. Erst wenn man sie anregt, kommt Bewegung in die Sache. z.B. kann man ein wenig Energie zuschießen (eine Mikrowelle, ein Photon) um dem Elektron mit spin down zu helfen, den kleinen Sprung auf das Energieniveau mit spin up zu schaffen. Das Photon wird absorbiert, aber nach einiger Zeit wird dem Elektron langweilig, es fällt wieder nach unten und strahlt wieder ein Photon aus, z.B. mit 9.162 GHz beim Caesium. Auch das aufgenommene Photon muss genau die passende Energie haben, sonst klappt das ganze nicht.

Das ist das Rüstzeug, um eine Atomuhr zu bauen. Im zweiten Teil werden wir die Kiste dann zusammensetzen!