How big is 銫原子?

銫原子是銫的最小組成單位。銫是一種柔軟的銀白色金屬，熔點為攝氏28.5度。銫原子的直徑大約是0.5奈米，即500皮米，這是以其共價半徑的兩倍計算而得。這使銫原子成為所有元素中最大的原子之一。一奈米是一公尺的十億分之一，一皮米則是一奈米的千分之一。

大小

原子沒有堅硬的邊界。電子在原子核周圍形成的雲會逐漸稀薄，因此化學家會用好幾種方式測量原子的大小。共價半徑是兩個以化學鍵相連的相同原子之中心距離的一半。銫的共價半徑是244皮米，因此銫原子的直徑大約是0.49奈米。

若採用其他測量方式，銫的半徑介於260至343皮米之間，也就是直徑0.52至0.69奈米。在PubChem的原子半徑數據表中，除了鍅之外，沒有任何元素的原子比銫更大。鍅的放射性極強，即使是其半衰期最長的形式，也會在22分鐘內衰變掉一半的原子，因此從未有人收集到足夠的量來秤重。

在週期表中，同一直行由上往下，原子會愈來愈大，因為愈下面的橫列，電子離原子核愈遠。銫位於第一直行接近底部的位置，其最外層電子離原子核的距離，比其餘54個電子都要遠。

大小比較

• 把大約16萬至20萬個銫原子並排排列，寬度會相當於一根人類頭髮的寬度，也就是0.08至0.1公釐。
• 同樣以共價半徑測量，銫原子的寬度大約是碳原子的3倍。
• 銫原子的寬度還不到水分子的兩倍，水分子的直徑大約是0.28奈米。
• 原子鐘中銫原子所感應的微波，波長大約是3.3公分，大約是銫原子寬度的6700萬倍。

銫如何定義「秒」

所有天然存在的銫都是銫-133，這是銫唯一穩定的同位素。一個銫-133原子在吸收特定頻率的微波時，能在兩個能階之間切換。國際時間單位「秒」，正是依據這個頻率來定義的：一秒等於這種微波振盪9192631770次所需的時間。

原子鐘就是利用這個定義來計時。在美國國家標準與技術研究院（NIST）的噴泉鐘中，雷射會將大約10萬個銫原子組成的雲團冷卻到幾乎靜止，接著，時鐘會把這團原子向上拋起大約1公尺。

微波會在原子雲升起又落下的過程中穿過原子，時鐘會調整微波頻率，直到與原子吸收的頻率一致為止。截至2026年，最精準的這類原子鐘，誤差在1億年內不超過1秒。

觀察銫元素

德國化學家羅伯特·本生與德國物理學家古斯塔夫·克希荷夫，於1860年在德國杜克海姆的礦泉水中發現了銫。他們使用能把光分散成各種顏色的光譜儀找到這種元素，並依據拉丁文caesius（意為「天空藍」）為它命名，因為它發出的光譜中帶有明亮的藍線。

沒有人能用一般顯微鏡看到單一銫原子，因為光的波長限制了光學顯微鏡所能呈現的最小細節。1981年，格爾德·賓寧與海因里希·羅雷爾發明了掃描穿隧顯微鏡。這種顯微鏡讓一根極細的探針非常靠近物體表面掃描，藉此拍出能夠分辨出單一原子的影像。

參考資料

• 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.