How big is Cäsiumatom?

Ein Cäsiumatom ist die kleinste Einheit von Cäsium, einem weichen, silbrigen Metall, das bei 28,5 Grad Celsius schmilzt. Es ist etwa 0,5 Nanometer (500 Picometer) breit, gemessen als das Doppelte seines kovalenten Radius. Damit gehört es zu den größten Atomen aller Elemente. Ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters, ein Picometer ein Tausendstel eines Nanometers.

Größe

Ein Atom hat keinen festen Rand. Seine Elektronen bilden um den Kern eine Wolke, die allmählich dünner wird, weshalb Chemiker die Größe eines Atoms auf verschiedene Weisen messen. Der kovalente Radius ist die halbe Entfernung zwischen den Mittelpunkten zweier gleicher, durch eine chemische Bindung verbundener Atome. Bei Cäsium beträgt er 244 Picometer, sodass das Atom etwa 0,49 Nanometer breit ist.

Andere Messmethoden ergeben für Cäsium einen Radius von 260–343 Picometer, was es 0,52–0,69 Nanometer breit macht. In den Tabellen der Atomradien von PubChem hat kein Element größere Atome außer Francium. Francium ist so radioaktiv, dass selbst seine langlebigste Form innerhalb von 22 Minuten die Hälfte ihrer Atome verliert, weshalb noch niemand genug davon gesammelt hat, um es zu wiegen.

Atome werden innerhalb einer Spalte des Periodensystems nach unten hin größer, weil in jeder tieferen Zeile Elektronen hinzukommen, die weiter vom Kern entfernt sind. Cäsium steht nahe am unteren Ende der ersten Spalte. Sein äußerstes Elektron bewegt sich weiter vom Kern weg als jedes seiner übrigen 54 Elektronen.

Größenvergleiche

• Etwa 160.000–200.000 Cäsiumatome, nebeneinandergelegt, würden die Breite eines Menschenhaares ergeben, das 0,08–0,1 Millimeter breit ist.
• Nach demselben Maß, dem kovalenten Radius, ist ein Cäsiumatom etwa dreimal so breit wie ein Kohlenstoffatom.
• Ein Cäsiumatom ist nicht ganz doppelt so breit wie ein Wassermolekül, das etwa 0,28 Nanometer breit ist.
• Die Mikrowellen, auf die Cäsiumatome in einer Atomuhr reagieren, haben eine Wellenlänge von etwa 3,3 Zentimetern, etwa das 67-Millionenfache der Breite des Atoms.

Wie Cäsium die Sekunde definiert

Alles natürlich vorkommende Cäsium ist Cäsium-133, seine einzige stabile Form. Ein Cäsium-133-Atom kann zwischen zwei Energiezuständen wechseln, wenn es Mikrowellen einer genau bestimmten Frequenz absorbiert. Die Sekunde, die internationale Zeiteinheit, wird aus dieser Frequenz abgeleitet. Eine Sekunde entspricht der Dauer von 9.192.631.770 Schwingungen dieser Mikrowellen.

Atomuhren nutzen diese Definition zur Zeitmessung. In einer Fontänenuhr am National Institute of Standards and Technology (NIST) in den Vereinigten Staaten kühlen Laser eine Wolke aus etwa 100.000 Cäsiumatomen, bis sie nahezu stillstehen. Die Uhr wirft die Wolke anschließend etwa einen Meter nach oben.

Während die Atome steigen und wieder fallen, durchdringen Mikrowellen die Wolke, und die Uhr stimmt die Mikrowellen so lange ab, bis ihre Frequenz mit der von den Atomen absorbierten übereinstimmt. Stand 2026 sind die besten dieser Uhren auf eine Sekunde in 100 Millionen Jahren genau.

Cäsium sichtbar machen

Der deutsche Chemiker Robert Bunsen und der deutsche Physiker Gustav Kirchhoff entdeckten Cäsium 1860 in Mineralwasser aus Dürkheim. Sie wiesen es mit einem Spektroskop nach, einem Instrument, das Licht in seine einzelnen Farben zerlegt. Sie benannten es nach dem lateinischen Wort caesius, „himmelblau“, nach den hellblauen Linien in seinem Licht.

Niemand kann ein einzelnes Cäsiumatom durch ein gewöhnliches Mikroskop sehen, weil die Wellenlänge des Lichts das kleinste Detail begrenzt, das ein Lichtmikroskop zeigen kann. 1981 bauten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer das Rastertunnelmikroskop. Es führt eine extrem feine Spitze sehr nah an eine Oberfläche heran und erzeugt Bilder, in denen sich einzelne Atome erkennen lassen.

Quellen

• Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
• Carbon. PubChem, National Library of Medicine.
• Cesium. Periodic Table of Elements, Los Alamos National Laboratory.
• Francium. Periodic Table of Elements, Los Alamos National Laboratory.
• Periodic Variations in Element Properties. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
• SI base unit: second (s). International Bureau of Weights and Measures (BIPM).
• Fountains of Atoms: Exquisite Timekeepers. National Institute of Standards and Technology, 2025.
• Gerd Binnig: Facts. Nobel Prize Outreach.
• Speed of light in vacuum. NIST CODATA.
• Benchmark oxygen-oxygen pair-distribution function of ambient water from x-ray diffraction measurements with a wide Q-range. Skinner et al., Journal of Chemical Physics, 2013.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.