Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
Wissensreise durch die Länder der Erde?
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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?
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.