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Schematischer Aufbau einer Cäsiumatomuhr

In einem Atomofen befinden sich zunächst zu gleichen Anteilen angeregte Cäsiumatome sowie Cäsiumatome im Grundzustand. Auf ihrem Weg durch die Vakuumkammer passieren die Cäsiumatome einen Sortiermagneten, der angeregte Atome aussortiert und nur Atome im Grundzustand durchlässt. Im Mikrowellenresonator werden die Cäsiumatome mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Ist die Frequenz dieser Strahlung passend, werden die Atome angeregt. Anschließend sortiert ein Magnet die Atome erneut und ein Detektor registriert, bei wie vielen Atomen sich der Energiezustand durch die Bestrahlung im Mikrowellenresonator geändert hat. Die Frequenz der Mikrowellenstrahlung wird so lange angepasst, bis das bei einem Maximum an Cäsiumatomen der Fall ist: In diesem Resonanzfall schwingt die Mikrowelle 9 192 631 770 Mal pro Sekunde. Nach dieser Anzahl von Schwingungen wird der Sekundenzeiger der Uhr um eine Sekunde weitergestellt.