How big is 세슘 원자?

세슘 원자는 세슘의 가장 작은 단위이다. 세슘은 부드럽고 은빛이 도는 금속으로, 섭씨 28.5도에서 녹는다. 공유 반지름의 2배로 재면 세슘 원자는 지름이 약 0.5나노미터(500피코미터)로, 모든 원소를 통틀어 가장 큰 원자 중 하나이다. 1나노미터는 10억분의 1미터이고, 1피코미터는 1나노미터의 1,000분의 1이다.

크기

원자에는 뚜렷한 가장자리가 없다. 전자는 원자핵 주위에 구름을 이루며 가장자리로 갈수록 서서히 옅어지므로, 화학자들은 원자의 크기를 여러 방식으로 잰다. 공유 반지름은 화학 결합으로 이어진 같은 원자 두 개의 중심 사이 거리의 절반이다. 세슘은 244피코미터이므로 원자의 지름은 약 0.49나노미터이다.

다른 측정 방식으로는 세슘의 반지름이 260~343피코미터로 나오며, 이 경우 지름은 0.52~0.69나노미터이다. PubChem의 원자 반지름 표에서 세슘보다 큰 원자를 가진 원소는 프랑슘뿐이다. 프랑슘은 방사능이 매우 강해서 가장 오래 사는 형태도 22분이면 원자의 절반을 잃으며, 질량을 잴 수 있을 만큼 충분한 양을 모은 사람은 아무도 없다.

주기율표에서 원자는 한 족을 따라 아래로 내려갈수록 커진다. 한 주기 아래로 갈 때마다 원자핵에서 더 먼 곳에 전자가 더해지기 때문이다. 세슘은 1족의 아래쪽에 있다. 세슘의 가장 바깥쪽 전자는 나머지 54개의 전자 어느 것보다도 원자핵에서 멀리 움직인다.

크기 비교

세슘 원자 약 16만~20만 개를 옆으로 나란히 늘어놓으면 굵기가 0.08~0.1밀리미터인 사람 머리카락 한 가닥을 가로지르는 길이가 된다.
같은 방식인 공유 반지름으로 재면, 세슘 원자는 지름이 탄소 원자의 약 3배이다.
세슘 원자의 지름은 약 0.28나노미터인 물 분자 지름의 2배에 조금 못 미친다.
원자시계에서 세슘 원자가 반응하는 마이크로파의 파장은 약 3.3센티미터로, 원자 지름의 약 6700만 배이다.

세슘이 1초를 정의하는 방법

자연에 존재하는 세슘은 모두 세슘의 유일한 안정한 형태인 세슘-133이다. 세슘-133 원자는 정확히 한 가지 진동수의 마이크로파를 흡수하면 두 에너지 상태 사이를 오갈 수 있다. 국제 시간 단위인 초는 이 진동수로 정의된다. 1초는 그 마이크로파가 9,192,631,770주기를 지나는 데 걸리는 시간이다.

원자시계는 이 정의를 이용해 시간을 잰다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 분수 시계에서는 레이저로 세슘 원자 약 10만 개의 구름을 거의 멈출 때까지 식힌다. 그런 다음 시계는 이 구름을 약 1미터 위로 던져 올린다.

원자들이 올라갔다 내려오는 동안 마이크로파가 원자들을 통과하며, 시계는 마이크로파의 진동수가 원자가 흡수하는 진동수와 일치할 때까지 조정한다. 2026년 현재 이런 시계 중 가장 정확한 것은 1억 년 동안 오차가 1초 이내이다.

세슘을 보는 방법

독일의 화학자 로베르트 분젠과 독일의 물리학자 구스타프 키르히호프는 1860년 뒤르크하임의 광천수에서 세슘을 발견했다. 이들은 빛을 여러 색으로 나누는 기구인 분광기로 세슘을 찾아냈다. 세슘의 빛에서 나타난 선명한 파란 선 때문에, "하늘색"을 뜻하는 라틴어 caesius에서 이름을 따왔다.

일반 광학 현미경으로는 세슘 원자 하나를 볼 수 없다. 빛의 파장이 광학 현미경이 보여 줄 수 있는 가장 작은 세부 구조를 제한하기 때문이다. 1981년 게르트 비니히와 하인리히 로러가 주사 터널링 현미경을 만들었다. 이 현미경은 극도로 가는 바늘 끝을 표면에 아주 가까이 지나가게 하여, 원자 하나하나를 가려낼 수 있는 이미지를 만든다.

출처

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Carbon. PubChem, National Library of Medicine.
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Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.