Mit Cäsium die Zeit messen

Cäsium ist ein bemerkenswertes Element. Es wurde 1861 von Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff im Dürkheimer Mineralwasser der Maxquelle entdeckt. Aufgrund der zwei blauen Spektrallinien, mit denen das Element nachgewiesen wurde, benannten die Entdecker es nach dem lateinischen „caesius“ für himmelblau. Cäsium ist in seinem reinsten Zustand ein silberweißes Leichtmetall mit einer Dichte von 1,873g/cm3, das schon durch geringe Verunreinigungen goldgelb erscheint. Es ist ein Reinelement, weil in der Natur nur ein Isotop vorkommt und es hat den größten Atomradius aller beständigen Elemente.
Mit einem Gehalt von 3 ppm in der kontinentalen Erdkruste ist Cäsium auf der Erde ein seltenes Element. Das häufigste Cäsiummineral ist das ebenfalls sehr seltene Pollucit, (Cs, Na)2Al2Si4O12·H2O, das in größeren Vorkommen vor allem in der kanadischen Provinz Manitoba in der Tanco-Mine vorkommt.
Das Metall reagiert sofort und sehr heftig mit Luft. Deswegen wird es in abgeschmolzenen Glasampullen unter Inertgas aufbewahrt. Selbst bei großen Stücken kommt es sofort zur Selbstentzündung. Auch mit Wasser reagiert Cäsium sehr heftig. Diese Reaktion findet sogar mit Eis bei Temperaturen von −116°C statt. Cäsium schmilzt schon bei 26,4 °C. Beim Abkühlen kristallisiert es oft beeindruckend in dendritischer Form (Abb. 1).

                    
                   Abb. 1 Cäsium in Form von Dendriten                                                                                              (©Dnn87 - Eigenes Werk, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3415854)
Das künstliche Isotop 137Cs ist neben dem Kobaltisotop 60Co eine wichtige Gammastrahlenquelle und wird in der Strahlentherapie zur Behandlung von Krebserkrankungen verwendet. Cäsium ist Bestandteil hochempfindlicher Fotozellen, z. B. für Peil-Sensoren von Satelliten (GPS).
Aber die größte Bedeutung hat Cäsium für die Zeit. Schwingungen von Cäsiumatomen geben den Takt in Atomuhren. Die offizielle Definition einer Sekunde als Maßeinheit der Zeit lautet seit 1967 folgendermaßen: Die Sekunde ist das 9.192.631.770fache der Periode eines bestimmten atomaren Übergangs in Cäsium. Die Wahl fiel auf Cäsium, weil dies ein Reinelement ist und in den 1960er Jahren der Übergang zwischen den beiden Grundzuständen mit ca. 9 GHz mit den damaligen elektronischen Mitteln bereits detektierbar war. Die Breite dieses Übergangs und damit die Unsicherheit der Messung sind nicht durch Eigenschaften des Atoms bestimmt. Cäsium ist das die Frequenz bestimmende Element in den Atomuhren, die die Basis für die koordinierte Weltzeit bilden.
Um diesen Standard in der Praxis anzuwenden, sendet man einen Strahl von einer bestimmten Frequenz durch eine Ansammlung von Cäsium-Atomen und sieht sich an, welcher Teil des Signals von Ihnen absorbiert wird. Durch die niedrige Verdampfungstemperatur kann mit wenig Aufwand ein Atomstrahl mit geringer Geschwindigkeitsunsicherheit erzeugt werden. Eine Wolke von Cäsium-Atomen kann in magneto-optischen Fallen in der Schwebe gehalten und mit Hilfe von Lasern bis auf wenige Mikrokelvin an den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Mit dieser Technik war es möglich, die Frequenzstabilität und damit die Genauigkeit der Cäsium-Atomuhr deutlich zu verbessern.
Die internationale Atomzeit, die der üblicherweise verwendeten koordinierten Weltzeit zugrunde liegt, wird durch Synchronisierung von 300 Cäsium-Atomuhren in aller Welt ermittelt. So, ohne Cäsium hätten wir die Zeit nicht so genau messen können. <<