How big is Cesiumatoom?

Een cesiumatoom is de kleinste eenheid van cesium, een zacht, zilverkleurig metaal dat smelt bij 28,5 graden Celsius. Het atoom is ongeveer 0,5 nanometer (500 picometer) breed, gemeten als tweemaal de covalente straal. Daarmee is het een van de grootste atomen van alle elementen. Een nanometer is een miljardste van een meter en een picometer is een duizendste van een nanometer.

Grootte

Een atoom heeft geen harde rand. De elektronen vormen een wolk rond de kern die geleidelijk ijler wordt, dus scheikundigen meten de grootte van een atoom op verschillende manieren. De covalente straal is de helft van de afstand tussen de middelpunten van twee identieke atomen die door een chemische binding zijn verbonden. Voor cesium is die 244 picometer, dus het atoom is ongeveer 0,49 nanometer breed.

Andere meetmethoden geven cesium een straal van 260–343 picometer, waardoor het atoom 0,52–0,69 nanometer breed is. In de tabellen met atoomstralen van PubChem heeft alleen francium grotere atomen. Francium is zo radioactief dat zelfs de langstlevende vorm de helft van zijn atomen verliest in 22 minuten. Niemand heeft er genoeg van verzameld om te wegen.

Van boven naar beneden worden atomen in elke kolom van het periodiek systeem groter, omdat elke rij lager elektronen toevoegt die verder van de kern zitten. Cesium staat vlak bij de onderkant van de eerste kolom. Het buitenste elektron van cesium beweegt zich verder van de kern vandaan dan elk van de andere 54 elektronen.

Groottevergelijkingen

• Ongeveer 160.000–200.000 cesiumatomen, naast elkaar, zouden de breedte van een mensenhaar beslaan, dat 0,08–0,1 millimeter breed is.
• Op dezelfde manier gemeten, via de covalente straal, is een cesiumatoom ongeveer drie keer zo breed als een koolstofatoom.
• Een cesiumatoom is net geen twee keer zo breed als een watermolecuul, dat ongeveer 0,28 nanometer breed is.
• De microgolven waarop cesiumatomen in een atoomklok reageren, hebben een golflengte van ongeveer 3,3 centimeter, ongeveer 67 miljoen keer de breedte van het atoom.

Hoe cesium de seconde definieert

Al het natuurlijke cesium is cesium-133, de enige stabiele vorm van cesium. Een atoom van cesium-133 kan overgaan van de ene energietoestand naar de andere wanneer het microgolven van één exacte frequentie absorbeert. De seconde, de internationale eenheid van tijd, is gedefinieerd aan de hand van die frequentie. Eén seconde is de tijdsduur van 9.192.631.770 perioden van die microgolven.

Atoomklokken gebruiken deze definitie om de tijd bij te houden. In een fonteinklok van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten koelen lasers een wolk van ongeveer 100.000 cesiumatomen af tot ze bijna stilstaan. De klok werpt de wolk vervolgens ongeveer een meter omhoog.

Microgolven gaan door de atomen terwijl die omhoog en omlaag gaan. De klok stemt de microgolven af tot hun frequentie overeenkomt met de frequentie die de atomen absorberen. Anno 2026 wijken de beste van deze klokken in 100 miljoen jaar niet meer dan één seconde af.

Cesium zien

De Duitse scheikundige Robert Bunsen en de Duitse natuurkundige Gustav Kirchhoff ontdekten cesium in 1860 in mineraalwater uit Dürkheim. Ze vonden het met een spectroscoop, een instrument dat licht uiteenspreidt in zijn afzonderlijke kleuren. Ze noemden het naar het Latijnse woord caesius, “hemelsblauw”, vanwege de heldere blauwe lijnen in het licht ervan.

Niemand kan één enkel cesiumatoom zien door een gewone microscoop, omdat de golflengte van licht het kleinste detail begrenst dat een lichtmicroscoop kan laten zien. In 1981 bouwden Gerd Binnig en Heinrich Rohrer de rastertunnelmicroscoop. Deze microscoop beweegt een uiterst fijne punt vlak langs een oppervlak en maakt beelden waarop afzonderlijke atomen te onderscheiden zijn.

Bronnen

• 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.