How big is Atome de césium?

Un atome de césium est la plus petite unité de césium, un métal mou et argenté qui fond à 28,5 degrés Celsius. Il mesure environ 0,5 nanomètre (500 picomètres) de diamètre, soit le double de son rayon covalent. Cela en fait l'un des plus grands atomes parmi tous les éléments. Un nanomètre est un milliardième de mètre, et un picomètre est un millième de nanomètre.

Taille

Un atome n'a pas de bord net. Ses électrons forment autour du noyau un nuage qui s'estompe peu à peu, si bien que les chimistes mesurent la taille d'un atome de plusieurs façons. Le rayon covalent correspond à la moitié de la distance entre les centres de deux atomes identiques reliés par une liaison chimique. Pour le césium, il est de 244 picomètres, ce qui donne à l'atome un diamètre d'environ 0,49 nanomètre.

D'autres méthodes de mesure donnent au césium un rayon de 260 à 343 picomètres, soit un diamètre de 0,52 à 0,69 nanomètre. Dans les tableaux de rayons atomiques de PubChem, seul le francium a des atomes plus grands. Le francium est si radioactif que même sa forme la plus stable perd la moitié de ses atomes en 22 minutes, et personne n'en a jamais réuni une quantité suffisante pour le peser.

Les atomes deviennent plus grands en descendant chaque colonne du tableau périodique, car chaque rangée plus basse ajoute des électrons plus éloignés du noyau. Le césium se situe près du bas de la première colonne. Son électron le plus externe s'éloigne du noyau plus que n'importe lequel de ses 54 autres électrons.

Comparaisons de taille

• Alignés côte à côte, environ 160 000 à 200 000 atomes de césium couvriraient la largeur d'un cheveu, qui mesure de 0,08 à 0,1 millimètre de large.
• Mesuré de la même façon, par le rayon covalent, un atome de césium est environ trois fois plus large qu'un atome de carbone.
• Un atome de césium est un peu moins de deux fois plus large qu'une molécule d'eau, qui mesure environ 0,28 nanomètre de diamètre.
• Les micro-ondes auxquelles réagissent les atomes de césium dans une horloge atomique ont une longueur d'onde d'environ 3,3 centimètres, soit environ 67 millions de fois la largeur de l'atome.

Comment le césium définit la seconde

Tout le césium naturel est du césium 133, sa seule forme stable. Un atome de césium 133 peut basculer entre deux états d'énergie lorsqu'il absorbe des micro-ondes d'une fréquence bien précise. La seconde, l'unité internationale de temps, est définie à partir de cette fréquence. Une seconde correspond au temps que mettent 9 192 631 770 cycles de ces micro-ondes.

Les horloges atomiques utilisent cette définition pour mesurer le temps. Dans une horloge à fontaine du National Institute of Standards and Technology (NIST), aux États-Unis, des lasers refroidissent un nuage d'environ 100 000 atomes de césium jusqu'à ce qu'ils soient presque immobiles. L'horloge projette ensuite ce nuage à environ un mètre de hauteur.

Des micro-ondes traversent les atomes pendant leur montée et leur descente, et l'horloge ajuste leur fréquence jusqu'à ce qu'elle corresponde à celle que les atomes absorbent. En 2026, les meilleures de ces horloges ont une précision d'une seconde sur 100 millions d'années.

Voir le césium

Le chimiste allemand Robert Bunsen et le physicien allemand Gustav Kirchhoff ont découvert le césium en 1860, dans une eau minérale de Dürkheim. Ils l'ont identifié à l'aide d'un spectroscope, un instrument qui décompose la lumière en ses différentes couleurs. Ils l'ont nommé d'après le mot latin caesius, « bleu ciel », en référence aux lignes bleu vif de sa lumière.

Personne ne peut voir un seul atome de césium à l'aide d'un microscope ordinaire, car la longueur d'onde de la lumière limite le plus petit détail qu'un microscope optique peut montrer. En 1981, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer ont mis au point le microscope à effet tunnel. Il fait passer une pointe extrêmement fine tout près d'une surface et produit des images où l'on peut distinguer des atomes isolés.

Sources

• 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.