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55. Cäsium (Cs) - Das Atomuhr-Element · Das Periodensystem der Elemente

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Wissensreise durch die Länder der Erde?
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Heute widmen wir uns einem Element, das so weich ist, dass
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man es mit einem Messer schneiden kann, das bei
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Zimmertemperatur fast schon schmilzt und das seit
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Jahrzehnten darüber entscheidet, wie lange eine Sekunde
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tatsächlich dauert. Lehn dich zurück, schließ die
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Augen und lass dich mitnehmen in die Welt von Cäsium, dem
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Atomuhrelement das. Cäsium trägt im Periodensystem
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das Symbol CS und die Ordnungszahl 55.
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Es gehört zur Gruppe der Alkalimetalle, gemeinsam mit
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Lithium, Natrium, Kalium, Robidium und dem radioaktiven
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Frantium Alkalimetalle besitzen alle nur ein einziges Elektron
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in ihrer äußersten Schale, das sie besonders leicht abgeben,
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weshalb sie zu den chemisch reaktionsfreudigsten Metallen
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überhaupt zählen. Innerhalb dieser Gruppe nimmt
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die Reaktionsfreudigkeit von oben nach unten zu und Cäsium
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markiert, abgesehen vom seltenen und radioaktiven Frantium, das
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Ende dieser Reihe. Es gilt als das
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Reaktionsfreudigste und zugleich Elektropositivste aller stabilen
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chemischen Elemente. Entdeckt wurde Cäsium im Jahr
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1860 von den deutschen Wissenschaftlern Robert Bunsen
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und Gustav Kirchhoff an der Universität Heidelberg.
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Die beiden Forscher hatten kurz zuvor gemeinsam die
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Spektralanalyse entwickelt, ein bahnbrechendes Verfahren, bei
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dem Substanzen in einer Flamme erhitzt und das dabei
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entstehende Licht anschließend durch ein Prisma in seine
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charakteristischen Spektrallinien zerlegt wird.
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Jedes chemische Element erzeugt dabei ein einzigartiges
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Linienmuster, vergleichbar mit einem optischen Fingerabdruck.
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Als Bunsen und Kirchhoff Proben von Mineralwasser aus dem
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württembergischen Bad Dürkheim untersuchten, entdeckten sie im
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blauen Bereich des Spektrums 2 bis dahin unbekannte Linien, sie
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benannten das neue Element nach dem lateinischen Wort caesius.
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Was so viel wie Himmelblau bedeutet, in Anlehnung an die
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charakteristische Farbe dieser Spektrallinien.
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Caesium war damit das allererste Element, das durch
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spektroskopische Analyse entdeckt wurde, ein Meilenstein,
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der die Tür zu einer ganzen Welle weiterer
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Elementenentdeckungen mittels Spektroskopie Aufstieß, darunter
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wenig später auch Rubidium. Dessen Name sich von der Farbe
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Rubinrot ableitet. Chemisch und physikalisch ist
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Cäsium ein Element der Extreme, es ist bei Zimmertemperatur ein
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weiches, silbrig goldenes Metall mit einem für Metalle
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ungewöhnlich niedrigen Schmelzpunkt von nur 28,5 Grad
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Celsius, ein Wert, der nur knapp über der üblichen Raumtemperatur
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liegt. Von allen Metallen besitzt nur
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das noch seltenere und radioaktive Frantium einen
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ähnlich niedrigen Schmelzpunkt, während gebräuchliche Metalle
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wie Eisen oder Kupfer erst bei mehreren 100 bis über 1000 Grad
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Celsius schmelzen. An einem warmen Sommertag könnte
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ein Klumpen Cäsium also buchstäblich in der Hand
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schmelzen, würde man ihn nicht durch die extreme
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Reaktionsfreudigkeit des Metalls daran gehindert, die.
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Cäsium reagiert nämlich bereits bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit
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heftig und mit Wasser reagiert es explosionsartig.
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Die bei der Reaktion frei werdende Wärme entzündet den
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dabei entstehenden Wasserstoff nahezu augenblicklich, sodass es
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zu einer heftigen Stichflamme oder gar zu einer kleinen
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Explosion kommen kann. Aus diesem Grund muss Caesium
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unter Schutzgas oder in Ampullen unter Vakuum gelagert werden.
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Eine Vorsichtsmaßnahme, die für praktisch alle Alkalimetalle
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gilt, bei Caesium aufgrund seiner besonderen Heftigkeit
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jedoch von entscheidender Bedeutung ist.
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In der Natur kommt Caesium niemals in reiner metallischer
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Form vor, sondern ausschließlich gebunden in Mineralien und
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salzen. Das wichtigste Cäsium Mineral
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ist Polyzid, ein Cäsium Aluminium Silikat, das an nur
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wenigen Orten der Welt in wirtschaftlich abbaubaren Mengen
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vorkommt. Die bedeutendste bekannte
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Lagerstätte befindet sich in Bernick Lake in der kanadischen
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Provinz Manitoba, wo ein einziges Vorkommen einen
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erheblichen Teil des weltweiten Bedarfs deckt, um aus dem
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Mineral reines Cäsium zu gewinnen.
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Muss das Policit zunächst chemisch aufgeschlossen und das
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enthaltene Caesium in Form löslicher Salze extrahiert
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werden, bevor es durch Elektrolyse oder thermische
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Reduktion in seine metallische Form überführt werden kann?
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Ein aufwendiger, mehrstufiger Prozess der Caesium zu einem
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vergleichsweise seltenen und teuren Metall macht.
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Der wohl bedeutendste und für unseren Alltag folgenreichste
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Einsatzbereich von Caesium liegt jedoch nicht in seiner
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metallischen Form, sondern in der Zeitmessung.
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Seit dem Jahr 1967 ist die physikalische Einheit der
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Sekunde offiziell über eine Eigenschaft des Caesium 133
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Atoms definiert, konkret. Entspricht eine Sekunde exakt
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der Zeit, die für 9 Milliarden 192631770 Schwingungen der
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Strahlung benötigt wird, die beim Übergang zwischen 2 ganz
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bestimmten Energiezuständen der äußeren Elektronenhülle eines
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Cäsium 133 Atoms freigesetzt wird, dem sogenannten
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Hyperfeinübergang des Grundzustands.
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Diese Definition löste die zuvor gebräuchliche astronomische
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Definition der Sekunde ab, die sich an der Erdrotation
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orientierte und aufgrund geringfügiger, aber messbarer
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Schwankungen der Erdrotationsgeschwindigkeit
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nicht präzise genug war, um den wachsenden Ansprüchen der
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modernen Wissenschaft und Technik gerecht zu werden.
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Das Funktionsprinzip einer Cäsiumatomuhr beruht auf genau
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dieser fundamentalen Eigenschaft in modernen sogenannten Cäsium
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Fontänen. Uhren werden Cäsiumatome
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zunächst mit Hilfe von Laserstrahlen auf Temperaturen
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nahe dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt.
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Ein Verfahren, das als Laserkühlung bezeichnet wird und
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Atomphysiker innen erst in den 1980er und 1990er Jahren zur
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vollen Praxisreife entwickelten. Die derart abgekühlten Atome
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werden anschließend wie bei einem Springbrunnen sanft nach
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oben geschossen, durchqueren dabei ein Mikrowellenfeld,
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fallen unter dem Einfluss der Schwerkraft wieder zurück und
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durchqueren dasselbe Feld ein zweites Mal.
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Wird die Frequenz des Mikrowellenfelds exakt auf die
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charakteristische Übergangsfrequenz der
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Cäsiumatome abgestimmt, lässt sich daraus ein extrem stabiles
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und präzises Zeitsignal ableiten.
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Moderne Cäsium, Fontänen, Uhren, wie sie etwa an nationalen
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Metrologieinstituten in den USA, in Deutschland oder in
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Großbritannien betrieben werden, erreichen eine Ganggenauigkeit,
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bei der ein Fehler von nur einer Sekunde erst nach mehreren
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10000000 Jahren zu erwarten wäre.
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Diese außergewöhnliche Präzision ist keineswegs nur von
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akademischem Interesse. Cäsium Atomuhren bilden das
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Rückgrat zahlreicher Technologien, auf die wir im
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Alltag angewiesen sind, ohne uns dessen bewusst zu sein.
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Satellitennavigationssysteme wie das amerikanische GPS, das
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europäische Galileo oder das russische Glonas funktionieren
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nur deshalb mit einer Positionsgenauigkeit von wenigen
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Metern. Weil an Bord jedes einzelnen
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Navigationssatelliten hochpräzise Atomuhren, häufig
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auf Cäsium oder robidium Basis, die Zeit mit äußerster
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Genauigkeit messen. Da sich Funksignale mit
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Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, führt bereits eine
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Zeitabweichung von einer Millionstel Sekunde zu einem
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Positionsfehler von rund 300 Metern.
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Weshalb die Präzision der eingesetzten Atomuhren direkt
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über die Zuverlässigkeit der Navigation entscheidet.
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Auch globale Finanzsysteme, bei denen Transaktionen im
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Millisekundenbereich zeitlich exakt synchronisiert und
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dokumentierten werden müssen. Sowie das globale Internet,
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dessen Datenpakete über sogenannte Zeitstempelprotokolle
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koordiniert werden, sind letztlich auf ein weltweites
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Netzwerk von Cäsium Atomuhren angewiesen.
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Dass die sogenannte koordinierte Weltzeit, kurz UTC, definiert.
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Neben seiner Rolle als Zeitgeber besitzt Cäsium eine weitere
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physikalische Eigenschaft, die es für die Technik interessant
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macht. Seine außerordentlich geringe
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Ionisierungsenergie von allen stabilen Elementen lässt sich
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einem Cäsiumatom am leichtesten ein Elektron entreißen.
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Diese Eigenschaft macht Cäsium zu einem ausgezeichneten
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Material für sogenannte Photokathoden, spezielle
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Beschichtungen, die beim Auftreffen von Lichtelektronen
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freisetzen. Solche Cäsiumbeschichteten
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Photokathoden kommen in Fotomultiplian zum Einsatz,
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hochempfindlichen Detektoren, die selbst einzelne
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Lichtteilchen registrieren können und unter anderem in der
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medizinischen Bildgebung, etwa bei der Positronen,
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Emissionstomographie sowie in der Teilchenphysik an großen
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Forschungseinrichtungen wie dem CERN verwendet werden.
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Auch in älteren Nachtsichtgeräten und in
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bestimmten Bildwandlerröhren fanden Cäsiumhaltige
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Fotokathoden lange Zeit breite Anwendung.
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In der Erdölindustrie wiederum spielt eine Cäsiumverbindung
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eine wichtige, wenn auch weniger bekannte Rolle.
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Cäsiumformiat wird als Bestandteil sogenannter
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Bohrspülungen bei Tiefbohrungen eingesetzt, die.
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Diese Flüssigkeit zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe
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Dichte aus, die es erlaubt, den enormen Druck in tiefen
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Gesteinsschichten auszugleichen, ohne dabei so umweltschädlich
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und Korrosiv zu wirken wie Ältere, auf Schwermetallsalzen
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basierende Bohrspülungen. Cäsiumformiat gilt daher als
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vergleichsweise umweltfreundliche Alternative.
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Wird jedoch aufgrund der hohen Kosten der Cäsiumgewinnung vor
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allem bei besonders anspruchsvollen und
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wirtschaftlich lohnenden Tiefbohrprojekten eingesetzt,
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etwa in der Nordsee neben dem einzigen stabilen Isotop caesium
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133, das in der Natur vorkommt und die Grundlage der
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Atomuhrtechnologie bildet. Existieren zahlreiche
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radioaktive Cäsium Isotope, von denen Cäsium 137, das mit
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Abstand bekannteste und für die Öffentlichkeit relevanteste ist?
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Cäsium 137 entsteht nicht natürlich, sondern
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ausschließlich als Spaltprodukt bei der Kernspaltung von Uran
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oder Plutonium, etwa in Kernreaktoren oder bei
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Kernwaffentests. Es besitzt eine Halbwertszeit
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von rund 30 Jahren und sendet beim radioaktiven Zerfall
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energiereiche Gammastrahlung aus.
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Eine Eigenschaft, die einerseits nützliche Anwendungen
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ermöglicht, andererseits aber auch erhebliche Gefahren birgt.
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Zu den nützlichen Anwendungen zählt der Einsatz von Cäsium 137
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als Strahlenquelle in industriellen Dickenmessgeräten,
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in der Bestrahlung von Lebensmitteln zur Haltbarmachung
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sowie in eingeschränktem Umfang in der Strahlentherapie zur
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Behandlung bestimmter Krebserkrankungen, wenngleich.
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Caesium 137 hierfür inzwischen zunehmend durch modernere,
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besser kontrollierbare Strahlenquellen ersetzt wird.
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Traurige Berühmtheit erlangte Caesium 137 jedoch vor allem
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durch schwere nukleare Unfälle bei der Reaktorkatastrophe von
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Tschernobyl im Jahr 1986 wurden erhebliche Mengen caesium 137
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freigesetzt in. Die sich über weite Teile
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Europas verteilten und in manchen Regionen bis heute in
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Böden und in bestimmten Wildpilzen sowie Wildfleisch in
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messbaren, wenn auch meist unbedenklichen Konzentrationen
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nachweisbar sind. Auch bei der Reaktorkatastrophe
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von Fukushima im Jahr 2011 zählte Cäsium 137 neben Cäsium
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134 zu den bedeutendsten freigesetzten radioaktiven
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Isotopen und stellt die Sanierung der betroffenen Region
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bis heute vor erhebliche Herausforderungen.
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Da das Element chemisch dem im Boden natürlich vorkommenden
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Kalium ähnelt und dadurch leicht von Pflanzen aufgenommen und in
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der Nahrungskette angereichert werden kann.
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Ein weiterer tragischer Zwischenfall im Zusammenhang mit
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Cäsium 137 ereignete sich im Jahr 1987 in der brasilianischen
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Stadt Goyania. Dort wurde eine verlassene
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medizinische Bestrahlungsquelle aus einem stillgelegten
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Krankenhaus von Schrottsammlern geborgen und
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auseinandergenommen, ohne dass den Beteiligten die
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Gefährlichkeit des enthaltenen leuchtend blauschimmernden
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Cäsiumchloridpulvers bewusst war.
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Mehrere Menschen kamen in der Folge durch die
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Strahlenbelastung ums Leben, hunderte weitere wurden
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kontaminiert und die Aufräumarbeiten dauerten Monate.
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Dieser Unfall gilt bis heute als eines der schwerwiegendsten
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radiologischen Unglücke außerhalb von Kernkraftwerken
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und führte international zu deutlich strengeren Vorschriften
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für den Umgang mit und die Entsorgung von medizinischen und
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industriellen Strahlenquellen. Interessanterweise wird
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Cäsiumchlorid allerdings in seiner nicht radioaktiven,
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stabilen Form. Gelegentlich auch im Kontext
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alternativmedizinischer Krebstherapien beworben,
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basierend auf der unbelegten Annahme, dass ein alkalisches
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Milieu im Körper das Wachstum von Tumorzellen hemmen könnte.
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Wissenschaftliche Studien konnten diese Wirksamkeit
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bislang nicht bestätigen und Fachgesellschaften warnen
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ausdrücklich vor den potenziell schwerwiegenden Nebenwirkungen
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einer solchen unkontrollierten Cäsiumzufuhr.
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Darunter gefährliche Herzrhythmusstörungen, die durch
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eine Störung des Kaliumhaushalts im Körper ausgelöst werden
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können. Da Cäsium Ionen chemisch mit
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Kalium Ionen konkurrieren und deren physiologische Funktionen
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im Körper stören, können auch in der Grundlagenforschung der
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Quantenphysik hat Cäsium in den vergangenen Jahrzehnten eine
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bedeutende Rolle gespielt. Cäsiumatome eignen sich aufgrund
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ihrer relativ einfachen elektronischen Struktur und
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ihrer vergleichsweise hohen Atommasse besonders gut für
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Experimente, zur Laserkühlung und zur Erzeugung sogenannter
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Bose Einstein Kondensate extrem kalter Materiezustände, in denen
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sich eine große Zahl von Atomen wie ein einziges kohärentes
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Quantenobjekt verhält. Solche Experimente, für die
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unter anderem im Jahr 1997 der Physik Nobelpreis an Stephen
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Schuh, Claude Coventanogy und William Phillips für die
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Entwicklung von Methoden zur Kühlung und zum Einfangen von
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Atomen mittels Laserlicht verliehen wurde, bildeten
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zugleich die technologische Grundlage für die heutigen
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hochpräzisen Cäsiumfontänenuhren.
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Auch historisch war Caesium einst ein Kandidat für den
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Antrieb von Raumsonden in den 1900, 60er und frühen 1900 70er
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Jahren experimentierten sowohl amerikanische als auch
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sowjetische Raumfahrtingenieurinnen und
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Ingenieure mit sogenannten Caesium Ionentriebwerken, die
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nach einem ganz ähnlichen physikalischen Prinzip
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arbeiteten wie die heute gebräuchlichen Xenon
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Ionentriebwerke. Aufgrund der starken
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Korrosivität von Cäsiumdampf, der empfindliche Bauteile der
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Triebwerke im Dauerbetrieb Angriff, sowie aufgrund
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praktischer Handhabungsprobleme setzte sich in der Folge jedoch
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das deutlich reaktionsträgere Xenon als bevorzugtes
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Antriebsgas durch, sodass Cäsium heute in der Raumfahrt praktisch
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keine Rolle mehr spielt. Bevor wir zur Atomuhr
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zurückkehren, lohnt sich noch ein Blick auf die Geschichte der
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Zeitmessung selbst und darauf, wie es überhaupt dazu kam, dass
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ausgerechnet Cäsium zum Fundament unserer modernen
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Zeitdefinition wurde. Die erste funktionsfähige Cäsium
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Atomuhr wurde bereits im Jahr 1955 von Louis Ason und Jack
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Perry am National Physical Laboratory in Großbritannien
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entwickelt. Deutlich bevor die Sekunde
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offiziell über Cäsium definiert wurde, um die Genauigkeit dieser
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neuartigen Uhr zu überprüfen, verglichen die beiden Forscher
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sie über einen Zeitraum mehrerer Jahre mit astronomischen
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Zeitmessungen, die auf der Beobachtung von
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Sternenbewegungen beruhten. Die Übereinstimmung war so
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überzeugend, dass sich in den folgenden Jahren zunehmend die
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Überzeugung durchsetzte. Eine auf Cäsium basierende,
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physikalisch definierte Sekunde sei jeder astronomischen
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Definition überlegen, da sie weder von der leicht
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schwankenden Erdrotation noch von den Unwägbarkeiten
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astronomischer Beobachtung abhängig ist.
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Diese Erkenntnis mündete schließlich 1967 in die
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international verbindliche Neudefinition der Sekunde, die
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bis heute Bestand hat hat. Auch nach der umfassenden Reform
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des internationalen Einheitensystems im Jahr 2019,
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bei der zwar zahlreiche andere Basiseinheiten wie das Kilogramm
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neu und auf Naturkonstanten basierend definiert wurden, die
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Cäsium basierte Definition der Sekunde jedoch als bewährter
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Grundpfeiler unverändert erhalten blieb.
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Auch in der Frühzeit der Elektronik spielte Cäsium eine
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praktische, wenn auch heute weitgehend vergessene Rolle.
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In älteren Vakuumröhren wurde metallisches Cäsium gelegentlich
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als sogenannter Getter eingesetzt.
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Eine kleine Menge reaktiven Materials, die gezielt in die
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Röhre eingebracht wurde, um nach dem Verschließen verbliebene
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Restgasmoleküle chemisch zu binden und dadurch ein möglichst
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vollständiges Vakuum aufrecht zu erhalten.
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Diese Anwendung nutzte gezielt jene extreme
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Reaktionsfreudigkeit von Cäsium, die im Alltag eher als
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Sicherheitsrisiko wahrgenommen wird.
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Nicht zuletzt spielt ein weiteres langlebiges
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radioaktives Isotop Cäsium 135, in der Diskussion um die sichere
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Endlagerung radioaktiven Abfalls eine gewisse Rolle.
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Mit einer Halbwertszeit von rund 2,3 Millionen Jahren zählt es zu
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den sogenannten langlebigen Spaltprodukten, die zwar in
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deutlich geringeren aktiven Mengen als das kurzlebigere
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Cäsium 137 vorliegen, aufgrund ihrer enormen Halbwertszeit
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Java. Jedoch über geologische
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Zeiträume hinweg relevant bleiben und bei der Konzeption
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von Endlagern für hoch radioaktiven Abfall entsprechend
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berücksichtigt werden müssen. Wenn wir also heute an Cäsium
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denken, sollten wir nicht nur an ein hochreaktives seltenes
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Metall denken, sondern an ein Element, das im Verborgenen
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buchstäblich den Takt unserer modernen, vernetzten Welt
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vorgibt. Ohne die Präzision der Cäsium
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Atomuhren gäbe es weder eine zuverlässige
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Satellitennavigation noch ein synchronisiertes globales
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Datennetz und unser gesamtes Verständnis der physikalischen
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Zeit beruht auf der beständigen, unveränderlichen Schwingung
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eines einzigen winzigen Atoms. Gerade weil ein Element wie
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Cäsium zeigt, mit welcher Präzision sich die Naturgesetze
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unseres Planeten erfassen und nutzen lassen, sollten wir daran
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erinnert werden, wie kostbar sowohl unsere natürliche Umwelt
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als auch die wissenschaftliche Freiheit sind, die solche
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Entdeckungen überhaupt erst ermöglicht.
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Unseren Planeten und die offenen demokratischen Gesellschaften,
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die freie Forschung wie diese erst ermöglichen, zu schützen,
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bleibt eine der wichtigsten Aufgaben unserer Zeit.
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Damit sind wir am Ende unserer heutigen Reise durch die Welt
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von Cäsium angekommen. Wir hoffen, dir hat der Ausflug
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von der Spektrallinie bis zur Atomuhr gefallen.
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Wenn dir diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine
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Bewertung da. Das hilft uns dabei weiterhin
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spannende Wissensreisen für dich zu produzieren, bis zur nächsten
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Folge. Bleib neugierig und wach.