Cäsiumnorm

Die offizielle Definition der Sekunde wurde erstmals vom BIPM auf der 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1967 wie folgt festgelegt: „Die Sekunde ist die Dauer von 9192631770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des Cäsium-133-Atoms entspricht.“ Auf seiner Sitzung im Jahr 1997 fügte das BIPM der früheren Definition die folgende Spezifikation hinzu: „Diese Definition bezieht sich auf ein Cäsiumatom in Ruhe bei einer Temperatur von 0 K.“

Das BIPM hat diese Definition auf seiner 26. Tagung (2018) neu formuliert: „Die Sekunde wird definiert, indem man den festen Zahlenwert der Cäsiumfrequenz ∆Cs, der ungestörten Grundzustands-Hyperfeinübergangsfrequenz des Cäsium-133-Atoms, als 9 192 631 770 annimmt, wenn er in der Einheit Hz ausgedrückt wird, die gleich s-1 ist.“

Die Bedeutung der vorstehenden Definition ist wie folgt. Das Cäsiumatom hat einen Elektronenzustand im Grundzustand mit der Konfiguration 6s1 und demzufolge das Atomsymbol 2S1/2. Das bedeutet, dass es ein ungepaartes Elektron gibt und der gesamte Elektronenspin des Atoms 1/2 ist. Außerdem hat der Kern von Cäsium-133 einen Kernspin von 7/2. Das gleichzeitige Vorhandensein von Elektronenspin und Kernspin führt durch einen Mechanismus, der Hyperfeinwechselwirkung genannt wird, zu einer (geringen) Aufspaltung aller Energieniveaus in zwei Unterniveaus. Eines der Unterniveaus entspricht dem parallelen (d. h. in die gleiche Richtung weisenden) Elektronen- und Kernspin, was zu einem Gesamtspin F = 7/2 + 1/2 = 4 führt; das andere Unterniveau entspricht dem antiparallelen (d. h. in entgegengesetzte Richtungen weisenden) Elektronen- und Kernspin, was zu einem Gesamtspin F = 7/2 – 1/2 = 3 führt. Beim Cäsiumatom ist das energetisch niedrigste Unterniveau dasjenige mit F = 3, während das Unterniveau F = 4 energetisch leicht darüber liegt. Wenn das Atom mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, deren Energie dem Energieunterschied zwischen den beiden Teilniveaus entspricht, wird die Strahlung absorbiert und das Atom wird angeregt, indem es vom Teilniveau F = 3 zum Teilniveau F = 4 übergeht. Nach einem kleinen Bruchteil einer Sekunde emittiert das Atom die Strahlung wieder und kehrt in seinen Grundzustand F = 3 zurück. Aus der Definition der Sekunde ergibt sich, dass die betreffende Strahlung eine Frequenz von genau 9,19263177 GHz hat, was einer Wellenlänge von etwa 3,26 cm entspricht und somit in den Mikrowellenbereich gehört.