How big is Átomo de césio?

Um átomo de césio é a menor unidade do césio, um metal macio e prateado que se funde a 28,5 °C. Ele tem cerca de 0,5 nanômetros (500 picômetros) de largura, medida como o dobro de seu raio covalente. Isso o torna um dos maiores átomos entre todos os elementos. Um nanômetro é um bilionésimo de um metro, e um picômetro é um milésimo de um nanômetro.

Tamanho

Um átomo não tem uma borda rígida. Seus elétrons formam uma nuvem ao redor do núcleo que vai se dissipando aos poucos, então os químicos medem o tamanho de um átomo de várias maneiras. O raio covalente é metade da distância entre os centros de dois átomos idênticos unidos por uma ligação química. Para o césio, esse raio é de 244 picômetros, então o átomo tem cerca de 0,49 nanômetros de largura.

Outras formas de medição dão ao césio um raio de 260–343 picômetros, o que o torna 0,52–0,69 nanômetros de largura. Nas tabelas de raios atômicos do PubChem, nenhum elemento tem átomos maiores, exceto o frâncio. O frâncio é tão radioativo que até sua forma mais duradoura perde metade de seus átomos em 22 minutos, e ninguém reuniu quantidade suficiente dele para pesar.

Os átomos ficam maiores conforme se desce em cada coluna da tabela periódica, porque cada linha mais abaixo acrescenta elétrons mais distantes do núcleo. O césio fica perto da base da primeira coluna. Seu elétron mais externo se afasta do núcleo mais do que qualquer um dos outros 54 elétrons do átomo.

Comparações de tamanho

• Cerca de 160.000–200.000 átomos de césio, lado a lado, cobririam a largura de um fio de cabelo humano, que tem 0,08–0,1 milímetros de largura.
• Medido da mesma forma, pelo raio covalente, um átomo de césio é cerca de três vezes mais largo que um átomo de carbono.
• Um átomo de césio é quase duas vezes mais largo que uma molécula de água, que tem cerca de 0,28 nanômetros de largura.
• As micro-ondas às quais os átomos de césio respondem em um relógio atômico têm um comprimento de onda de cerca de 3,3 centímetros, cerca de 67 milhões de vezes a largura do átomo.

Como o césio define o segundo

Todo césio natural é césio-133, sua única forma estável. Um átomo de césio-133 pode alternar entre dois estados de energia ao absorver micro-ondas de uma frequência exata. O segundo, a unidade internacional de tempo, é definido a partir dessa frequência. Um segundo é o tempo necessário para 9.192.631.770 ciclos dessas micro-ondas.

Os relógios atômicos usam essa definição para marcar o tempo. Em um relógio de fonte no National Institute of Standards and Technology (NIST), nos Estados Unidos, lasers resfriam uma nuvem de cerca de 100.000 átomos de césio até que quase parem de se mover. O relógio então lança a nuvem cerca de um metro para cima.

As micro-ondas atravessam os átomos enquanto eles sobem e descem, e o relógio ajusta a frequência das micro-ondas até que corresponda à que os átomos absorvem. Até onde se sabe, em 2026, os melhores desses relógios são precisos a menos de um segundo em 100 milhões de anos.

Vendo o césio

O químico alemão Robert Bunsen e o físico alemão Gustav Kirchhoff descobriram o césio em 1860, em água mineral de Dürkheim. Eles o identificaram com um espectroscópio, um instrumento que decompõe a luz em suas cores. Deram-lhe o nome a partir da palavra latina caesius, “azul-celeste”, por causa das linhas azuis brilhantes em sua luz.

Ninguém consegue ver um único átomo de césio em um microscópio comum, porque o comprimento de onda da luz limita o menor detalhe que um microscópio óptico pode mostrar. Em 1981, Gerd Binnig e Heinrich Rohrer construíram o microscópio de tunelamento com varredura. Ele passa uma ponta extremamente fina bem perto de uma superfície e produz imagens nas quais é possível distinguir átomos individuais.

Fontes

• 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.