Eine Atomuhr funktioniert auf der Grundlage der Eigenschaften von Atomen und ihrer Strahlung. Sie nutzt den stabilen Schwingungsrhythmus von Atomen, um eine sehr genaue Zeitmessung durchzuführen.
Die meisten Atomuhren verwenden den Übergang von Elektronen innerhalb der Atome als Zeitbasis. Konkret nutzt man dabei die Eigenschaften des sogenannten "Hyperfeinstruktur-Niveaus" eines Atoms, bei dem der Elektronenspin und der Kernspin des Atoms wechselwirken.
In einer Atomuhr wird eine bestimmte Menge an Atomen, meistens Cäsium- oder Rubidiumatome, auf eine bestimmte Energie gebracht, indem sie mit einem bestimmten Frequenzbereich von elektromagnetischer Strahlung bestrahlt werden. Diese Strahlung bewirkt, dass die Atome vom Grundzustand in den angeregten Zustand wechseln, und dann wieder zurück in den Grundzustand. Der Übergang zwischen den beiden Zuständen dauert eine bestimmte Zeit und wird als Schwingung bezeichnet.
Die Anzahl der Schwingungen, die in einem Atom in einer bestimmten Zeitperiode stattfinden, ist sehr genau und stabil. In der Atomuhr wird die Frequenz dieser Schwingungen gemessen und als Zeitbasis verwendet. Die Genauigkeit der Atomuhr hängt davon ab, wie genau diese Frequenz gemessen werden kann, und moderne Atomuhren können Genauigkeiten von einer Sekunde pro 30 Millionen Jahren erreichen.
Atomuhren sind extrem wichtig in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie, einschließlich der GPS-Systeme, der Luft- und Raumfahrt, der Telekommunikation und der wissenschaftlichen Forschung.
