Cäsium und die Zeitmessung

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 es die Entdecker nach dem lateinischen Wort „caesius“, das himmelblau bedeutet.

Eigenschaften von Cäsium

Cäsium ist in seinem reinsten Zustand ein silberweißes Leichtmetall, das schon durch geringe Verunreinigungen goldgelb erscheint. Es ist ein sogenanntes Reinelement, weil in der Natur nur ein einziges stabiles Isotop vorkommt. Eine Besonderheit von Cäsium ist sein großer Atomradius, der größte aller beständigen Elemente.

Mit einem Gehalt von 3 ppm in der kontinentalen Erdkruste ist Cäsium ein seltenes Element. Das bekannteste Cäsiummineral ist das ebenfalls sehr seltene Pollucit. Es ist ein Cäsium-Natrium-Sillikat, das in größeren Vorkommen vor allem in der kanadischen Provinz Manitoba in der Tanco-Mine vorkommt.

Das Metall ist sehr unbeständig, es reagiert sofort und sehr heftig mit Luft. 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. Bedingt durch dieses Verhalten wird Cäsium in abgeschmolzenen Glasampullen unter Inertgas aufbewahrt. Cäsium schmilzt bereits bei 26,4 °C. Beim Abkühlen kristallisiert es oft in einer beeindruckenden dendritischer Form (s. Foto). 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).

Bedeutung von Cäsium

Die größte Bedeutung hat Cäsium für die Messung der 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 9.192.631.770-fache 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 bestimmt die Frequenz 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 sicherer Atomstrahl 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. Mit diesem Takt werden alle offiziellen Uhren gesteuert, für Deutschland von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. 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 heute die Zeit nicht so genau messen können. <<

Foto: Cäsium in Form von Dendriten (©Dnn87, CC BY 3.0, commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3415854)

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