55. Cäsium (Cs) - Das Atomuhr-Element

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0:27 Heute widmen wir uns einem Element, das so weich ist, dass man es mit einem Messer schneiden kann, das bei Zimmertemperatur fast schon schmilzt und das seit Jahrzehnten darüber entscheidet, wie lange eine Sekunde tatsächlich dauert. Lehn dich zurück, schließ die Augen und lass dich mitnehmen in die Welt von Cäsium, dem Atomuhrelement das. Cäsium trägt im Periodensystem das Symbol CS und die Ordnungszahl 55.

0:59 Es gehört zur Gruppe der Alkalimetalle, gemeinsam mit Lithium, Natrium, Kalium, Robidium und dem radioaktiven Frantium Alkalimetalle besitzen alle nur ein einziges Elektron in ihrer äußersten Schale, das sie besonders leicht abgeben, weshalb sie zu den chemisch reaktionsfreudigsten Metallen überhaupt zählen. Innerhalb dieser Gruppe nimmt die Reaktionsfreudigkeit von oben nach unten zu und Cäsium markiert, abgesehen vom seltenen und radioaktiven Frantium, das Ende dieser Reihe. Es gilt als das Reaktionsfreudigste und zugleich Elektropositivste aller stabilen chemischen Elemente. Entdeckt wurde Cäsium im Jahr 1860 von den deutschen Wissenschaftlern Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff an der Universität Heidelberg.

1:55 Die beiden Forscher hatten kurz zuvor gemeinsam die Spektralanalyse entwickelt, ein bahnbrechendes Verfahren, bei dem Substanzen in einer Flamme erhitzt und das dabei entstehende Licht anschließend durch ein Prisma in seine charakteristischen Spektrallinien zerlegt wird. Jedes chemische Element erzeugt dabei ein einzigartiges Linienmuster, vergleichbar mit einem optischen Fingerabdruck.

2:22 Als Bunsen und Kirchhoff Proben von Mineralwasser aus dem württembergischen Bad Dürkheim untersuchten, entdeckten sie im blauen Bereich des Spektrums 2 bis dahin unbekannte Linien, sie benannten das neue Element nach dem lateinischen Wort caesius. Was so viel wie Himmelblau bedeutet, in Anlehnung an die charakteristische Farbe dieser Spektrallinien.

2:47 Caesium war damit das allererste Element, das durch spektroskopische Analyse entdeckt wurde, ein Meilenstein, der die Tür zu einer ganzen Welle weiterer Elementenentdeckungen mittels Spektroskopie Aufstieß, darunter wenig später auch Rubidium. Dessen Name sich von der Farbe Rubinrot ableitet. Chemisch und physikalisch ist Cäsium ein Element der Extreme, es ist bei Zimmertemperatur ein weiches, silbrig goldenes Metall mit einem für Metalle ungewöhnlich niedrigen Schmelzpunkt von nur 28,5 Grad Celsius, ein Wert, der nur knapp über der üblichen Raumtemperatur liegt. Von allen Metallen besitzt nur das noch seltenere und radioaktive Frantium einen ähnlich niedrigen Schmelzpunkt, während gebräuchliche Metalle

3:42 wie Eisen oder Kupfer erst bei mehreren 100 bis über 1000 Grad Celsius schmelzen. An einem warmen Sommertag könnte ein Klumpen Cäsium also buchstäblich in der Hand schmelzen, würde man ihn nicht durch die extreme Reaktionsfreudigkeit des Metalls daran gehindert, die. Cäsium reagiert nämlich bereits bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit heftig und mit Wasser reagiert es explosionsartig.

4:13 Die bei der Reaktion frei werdende Wärme entzündet den dabei entstehenden Wasserstoff nahezu augenblicklich, sodass es zu einer heftigen Stichflamme oder gar zu einer kleinen Explosion kommen kann. Aus diesem Grund muss Caesium unter Schutzgas oder in Ampullen unter Vakuum gelagert werden. Eine Vorsichtsmaßnahme, die für praktisch alle Alkalimetalle gilt, bei Caesium aufgrund seiner besonderen Heftigkeit jedoch von entscheidender Bedeutung ist.

4:46 In der Natur kommt Caesium niemals in reiner metallischer Form vor, sondern ausschließlich gebunden in Mineralien und salzen. Das wichtigste Cäsium Mineral ist Polyzid, ein Cäsium Aluminium Silikat, das an nur wenigen Orten der Welt in wirtschaftlich abbaubaren Mengen vorkommt. Die bedeutendste bekannte Lagerstätte befindet sich in Bernick Lake in der kanadischen Provinz Manitoba, wo ein einziges Vorkommen einen erheblichen Teil des weltweiten Bedarfs deckt, um aus dem Mineral reines Cäsium zu gewinnen.

5:23 Muss das Policit zunächst chemisch aufgeschlossen und das enthaltene Caesium in Form löslicher Salze extrahiert werden, bevor es durch Elektrolyse oder thermische Reduktion in seine metallische Form überführt werden kann? Ein aufwendiger, mehrstufiger Prozess der Caesium zu einem vergleichsweise seltenen und teuren Metall macht.

5:47 Der wohl bedeutendste und für unseren Alltag folgenreichste Einsatzbereich von Caesium liegt jedoch nicht in seiner metallischen Form, sondern in der Zeitmessung. Seit dem Jahr 1967 ist die physikalische Einheit der Sekunde offiziell über eine Eigenschaft des Caesium 133 Atoms definiert, konkret. Entspricht eine Sekunde exakt der Zeit, die für 9 Milliarden 192631770 Schwingungen der Strahlung benötigt wird, die beim Übergang zwischen 2 ganz bestimmten Energiezuständen der äußeren Elektronenhülle eines Cäsium 133 Atoms freigesetzt wird, dem sogenannten Hyperfeinübergang des Grundzustands.

6:40 Diese Definition löste die zuvor gebräuchliche astronomische Definition der Sekunde ab, die sich an der Erdrotation orientierte und aufgrund geringfügiger, aber messbarer Schwankungen der Erdrotationsgeschwindigkeit nicht präzise genug war, um den wachsenden Ansprüchen der modernen Wissenschaft und Technik gerecht zu werden.

7:04 Das Funktionsprinzip einer Cäsiumatomuhr beruht auf genau dieser fundamentalen Eigenschaft in modernen sogenannten Cäsium Fontänen. Uhren werden Cäsiumatome zunächst mit Hilfe von Laserstrahlen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt. Ein Verfahren, das als Laserkühlung bezeichnet wird und Atomphysiker innen erst in den 1980er und 1990er Jahren zur vollen Praxisreife entwickelten. Die derart abgekühlten Atome werden anschließend wie bei einem Springbrunnen sanft nach oben geschossen, durchqueren dabei ein Mikrowellenfeld, fallen unter dem Einfluss der Schwerkraft wieder zurück und durchqueren dasselbe Feld ein zweites Mal.

7:54 Wird die Frequenz des Mikrowellenfelds exakt auf die charakteristische Übergangsfrequenz der Cäsiumatome abgestimmt, lässt sich daraus ein extrem stabiles und präzises Zeitsignal ableiten. Moderne Cäsium, Fontänen, Uhren, wie sie etwa an nationalen Metrologieinstituten in den USA, in Deutschland oder in Großbritannien betrieben werden, erreichen eine Ganggenauigkeit, bei der ein Fehler von nur einer Sekunde erst nach mehreren 10000000 Jahren zu erwarten wäre.

8:28 Diese außergewöhnliche Präzision ist keineswegs nur von akademischem Interesse. Cäsium Atomuhren bilden das Rückgrat zahlreicher Technologien, auf die wir im Alltag angewiesen sind, ohne uns dessen bewusst zu sein. Satellitennavigationssysteme wie das amerikanische GPS, das europäische Galileo oder das russische Glonas funktionieren nur deshalb mit einer Positionsgenauigkeit von wenigen Metern. Weil an Bord jedes einzelnen Navigationssatelliten hochpräzise Atomuhren, häufig auf Cäsium oder robidium Basis, die Zeit mit äußerster Genauigkeit messen. Da sich Funksignale mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, führt bereits eine Zeitabweichung von einer Millionstel Sekunde zu einem Positionsfehler von rund 300 Metern.

9:23 Weshalb die Präzision der eingesetzten Atomuhren direkt über die Zuverlässigkeit der Navigation entscheidet. Auch globale Finanzsysteme, bei denen Transaktionen im Millisekundenbereich zeitlich exakt synchronisiert und dokumentierten werden müssen. Sowie das globale Internet, dessen Datenpakete über sogenannte Zeitstempelprotokolle koordiniert werden, sind letztlich auf ein weltweites Netzwerk von Cäsium Atomuhren angewiesen.

9:55 Dass die sogenannte koordinierte Weltzeit, kurz UTC, definiert. Neben seiner Rolle als Zeitgeber besitzt Cäsium eine weitere physikalische Eigenschaft, die es für die Technik interessant macht. Seine außerordentlich geringe Ionisierungsenergie von allen stabilen Elementen lässt sich einem Cäsiumatom am leichtesten ein Elektron entreißen.

10:22 Diese Eigenschaft macht Cäsium zu einem ausgezeichneten Material für sogenannte Photokathoden, spezielle Beschichtungen, die beim Auftreffen von Lichtelektronen freisetzen. Solche Cäsiumbeschichteten Photokathoden kommen in Fotomultiplian zum Einsatz, hochempfindlichen Detektoren, die selbst einzelne Lichtteilchen registrieren können und unter anderem in der medizinischen Bildgebung, etwa bei der Positronen, Emissionstomographie sowie in der Teilchenphysik an großen Forschungseinrichtungen wie dem CERN verwendet werden.

10:58 Auch in älteren Nachtsichtgeräten und in bestimmten Bildwandlerröhren fanden Cäsiumhaltige Fotokathoden lange Zeit breite Anwendung. In der Erdölindustrie wiederum spielt eine Cäsiumverbindung eine wichtige, wenn auch weniger bekannte Rolle. Cäsiumformiat wird als Bestandteil sogenannter Bohrspülungen bei Tiefbohrungen eingesetzt, die.

11:24 Diese Flüssigkeit zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe Dichte aus, die es erlaubt, den enormen Druck in tiefen Gesteinsschichten auszugleichen, ohne dabei so umweltschädlich und Korrosiv zu wirken wie Ältere, auf Schwermetallsalzen basierende Bohrspülungen. Cäsiumformiat gilt daher als vergleichsweise umweltfreundliche Alternative.

11:48 Wird jedoch aufgrund der hohen Kosten der Cäsiumgewinnung vor allem bei besonders anspruchsvollen und wirtschaftlich lohnenden Tiefbohrprojekten eingesetzt, etwa in der Nordsee neben dem einzigen stabilen Isotop caesium 133, das in der Natur vorkommt und die Grundlage der Atomuhrtechnologie bildet. Existieren zahlreiche radioaktive Cäsium Isotope, von denen Cäsium 137, das mit Abstand bekannteste und für die Öffentlichkeit relevanteste ist?

12:24 Cäsium 137 entsteht nicht natürlich, sondern ausschließlich als Spaltprodukt bei der Kernspaltung von Uran oder Plutonium, etwa in Kernreaktoren oder bei Kernwaffentests. Es besitzt eine Halbwertszeit von rund 30 Jahren und sendet beim radioaktiven Zerfall energiereiche Gammastrahlung aus. Eine Eigenschaft, die einerseits nützliche Anwendungen ermöglicht, andererseits aber auch erhebliche Gefahren birgt.

12:57 Zu den nützlichen Anwendungen zählt der Einsatz von Cäsium 137 als Strahlenquelle in industriellen Dickenmessgeräten, in der Bestrahlung von Lebensmitteln zur Haltbarmachung sowie in eingeschränktem Umfang in der Strahlentherapie zur Behandlung bestimmter Krebserkrankungen, wenngleich. Caesium 137 hierfür inzwischen zunehmend durch modernere, besser kontrollierbare Strahlenquellen ersetzt wird.

13:28 Traurige Berühmtheit erlangte Caesium 137 jedoch vor allem durch schwere nukleare Unfälle bei der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 wurden erhebliche Mengen caesium 137 freigesetzt in. Die sich über weite Teile Europas verteilten und in manchen Regionen bis heute in Böden und in bestimmten Wildpilzen sowie Wildfleisch in messbaren, wenn auch meist unbedenklichen Konzentrationen nachweisbar sind. Auch bei der Reaktorkatastrophe von Fukushima im Jahr 2011 zählte Cäsium 137 neben Cäsium 134 zu den bedeutendsten freigesetzten radioaktiven Isotopen und stellt die Sanierung der betroffenen Region bis heute vor erhebliche Herausforderungen.

14:28 Da das Element chemisch dem im Boden natürlich vorkommenden Kalium ähnelt und dadurch leicht von Pflanzen aufgenommen und in der Nahrungskette angereichert werden kann. Ein weiterer tragischer Zwischenfall im Zusammenhang mit Cäsium 137 ereignete sich im Jahr 1987 in der brasilianischen Stadt Goyania. Dort wurde eine verlassene medizinische Bestrahlungsquelle aus einem stillgelegten Krankenhaus von Schrottsammlern geborgen und auseinandergenommen, ohne dass den Beteiligten die Gefährlichkeit des enthaltenen leuchtend blauschimmernden Cäsiumchloridpulvers bewusst war.

15:12 Mehrere Menschen kamen in der Folge durch die Strahlenbelastung ums Leben, hunderte weitere wurden kontaminiert und die Aufräumarbeiten dauerten Monate. Dieser Unfall gilt bis heute als eines der schwerwiegendsten radiologischen Unglücke außerhalb von Kernkraftwerken und führte international zu deutlich strengeren Vorschriften für den Umgang mit und die Entsorgung von medizinischen und industriellen Strahlenquellen. Interessanterweise wird Cäsiumchlorid allerdings in seiner nicht radioaktiven, stabilen Form. Gelegentlich auch im Kontext alternativmedizinischer Krebstherapien beworben, basierend auf der unbelegten Annahme, dass ein alkalisches Milieu im Körper das Wachstum von Tumorzellen hemmen könnte.

16:05 Wissenschaftliche Studien konnten diese Wirksamkeit bislang nicht bestätigen und Fachgesellschaften warnen ausdrücklich vor den potenziell schwerwiegenden Nebenwirkungen einer solchen unkontrollierten Cäsiumzufuhr. Darunter gefährliche Herzrhythmusstörungen, die durch eine Störung des Kaliumhaushalts im Körper ausgelöst werden können. Da Cäsium Ionen chemisch mit Kalium Ionen konkurrieren und deren physiologische Funktionen im Körper stören, können auch in der Grundlagenforschung der Quantenphysik hat Cäsium in den vergangenen Jahrzehnten eine bedeutende Rolle gespielt. Cäsiumatome eignen sich aufgrund ihrer relativ einfachen elektronischen Struktur und ihrer vergleichsweise hohen Atommasse besonders gut für

16:57 Experimente, zur Laserkühlung und zur Erzeugung sogenannter Bose Einstein Kondensate extrem kalter Materiezustände, in denen sich eine große Zahl von Atomen wie ein einziges kohärentes Quantenobjekt verhält. Solche Experimente, für die unter anderem im Jahr 1997 der Physik Nobelpreis an Stephen Schuh, Claude Coventanogy und William Phillips für die Entwicklung von Methoden zur Kühlung und zum Einfangen von Atomen mittels Laserlicht verliehen wurde, bildeten zugleich die technologische Grundlage für die heutigen hochpräzisen Cäsiumfontänenuhren.

17:41 Auch historisch war Caesium einst ein Kandidat für den Antrieb von Raumsonden in den 1900, 60er und frühen 1900 70er Jahren experimentierten sowohl amerikanische als auch sowjetische Raumfahrtingenieurinnen und Ingenieure mit sogenannten Caesium Ionentriebwerken, die nach einem ganz ähnlichen physikalischen Prinzip arbeiteten wie die heute gebräuchlichen Xenon Ionentriebwerke. Aufgrund der starken Korrosivität von Cäsiumdampf, der empfindliche Bauteile der Triebwerke im Dauerbetrieb Angriff, sowie aufgrund praktischer Handhabungsprobleme setzte sich in der Folge jedoch das deutlich reaktionsträgere Xenon als bevorzugtes Antriebsgas durch, sodass Cäsium heute in der Raumfahrt praktisch

18:34 keine Rolle mehr spielt. Bevor wir zur Atomuhr zurückkehren, lohnt sich noch ein Blick auf die Geschichte der Zeitmessung selbst und darauf, wie es überhaupt dazu kam, dass ausgerechnet Cäsium zum Fundament unserer modernen Zeitdefinition wurde. Die erste funktionsfähige Cäsium Atomuhr wurde bereits im Jahr 1955 von Louis Ason und Jack Perry am National Physical Laboratory in Großbritannien entwickelt. Deutlich bevor die Sekunde offiziell über Cäsium definiert wurde, um die Genauigkeit dieser neuartigen Uhr zu überprüfen, verglichen die beiden Forscher sie über einen Zeitraum mehrerer Jahre mit astronomischen Zeitmessungen, die auf der Beobachtung von Sternenbewegungen beruhten. Die Übereinstimmung war so

19:27 überzeugend, dass sich in den folgenden Jahren zunehmend die Überzeugung durchsetzte. Eine auf Cäsium basierende, physikalisch definierte Sekunde sei jeder astronomischen Definition überlegen, da sie weder von der leicht schwankenden Erdrotation noch von den Unwägbarkeiten astronomischer Beobachtung abhängig ist.

19:50 Diese Erkenntnis mündete schließlich 1967 in die international verbindliche Neudefinition der Sekunde, die bis heute Bestand hat hat. Auch nach der umfassenden Reform des internationalen Einheitensystems im Jahr 2019, bei der zwar zahlreiche andere Basiseinheiten wie das Kilogramm neu und auf Naturkonstanten basierend definiert wurden, die Cäsium basierte Definition der Sekunde jedoch als bewährter Grundpfeiler unverändert erhalten blieb.

20:24 Auch in der Frühzeit der Elektronik spielte Cäsium eine praktische, wenn auch heute weitgehend vergessene Rolle. In älteren Vakuumröhren wurde metallisches Cäsium gelegentlich als sogenannter Getter eingesetzt. Eine kleine Menge reaktiven Materials, die gezielt in die Röhre eingebracht wurde, um nach dem Verschließen verbliebene Restgasmoleküle chemisch zu binden und dadurch ein möglichst vollständiges Vakuum aufrecht zu erhalten.

20:56 Diese Anwendung nutzte gezielt jene extreme Reaktionsfreudigkeit von Cäsium, die im Alltag eher als Sicherheitsrisiko wahrgenommen wird. Nicht zuletzt spielt ein weiteres langlebiges radioaktives Isotop Cäsium 135, in der Diskussion um die sichere Endlagerung radioaktiven Abfalls eine gewisse Rolle.

21:22 Mit einer Halbwertszeit von rund 2,3 Millionen Jahren zählt es zu den sogenannten langlebigen Spaltprodukten, die zwar in deutlich geringeren aktiven Mengen als das kurzlebigere Cäsium 137 vorliegen, aufgrund ihrer enormen Halbwertszeit Java. Jedoch über geologische Zeiträume hinweg relevant bleiben und bei der Konzeption von Endlagern für hoch radioaktiven Abfall entsprechend berücksichtigt werden müssen. Wenn wir also heute an Cäsium denken, sollten wir nicht nur an ein hochreaktives seltenes Metall denken, sondern an ein Element, das im Verborgenen buchstäblich den Takt unserer modernen, vernetzten Welt vorgibt. Ohne die Präzision der Cäsium Atomuhren gäbe es weder eine zuverlässige

22:16 Satellitennavigation noch ein synchronisiertes globales Datennetz und unser gesamtes Verständnis der physikalischen Zeit beruht auf der beständigen, unveränderlichen Schwingung eines einzigen winzigen Atoms. Gerade weil ein Element wie Cäsium zeigt, mit welcher Präzision sich die Naturgesetze unseres Planeten erfassen und nutzen lassen, sollten wir daran erinnert werden, wie kostbar sowohl unsere natürliche Umwelt als auch die wissenschaftliche Freiheit sind, die solche Entdeckungen überhaupt erst ermöglicht.

22:53 Unseren Planeten und die offenen demokratischen Gesellschaften, die freie Forschung wie diese erst ermöglichen, zu schützen, bleibt eine der wichtigsten Aufgaben unserer Zeit. Damit sind wir am Ende unserer heutigen Reise durch die Welt von Cäsium angekommen. Wir hoffen, dir hat der Ausflug von der Spektrallinie bis zur Atomuhr gefallen.

23:17 Wenn dir diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine Bewertung da. Das hilft uns dabei weiterhin spannende Wissensreisen für dich zu produzieren, bis zur nächsten Folge. Bleib neugierig und wach.