¿Es posible “ ver ” átomos?

Esto depende completamente de lo que significa «ver». Permítanme comenzar señalando:

Según mi conocimiento, los átomos son pequeños más allá de nuestra imaginación

No. Los átomos son bastante grandes en comparación con otras cosas con las que jugamos, como sus componentes (protones, electrones) en los aceleradores de partículas. El tamaño de los átomos es del orden de 0,1 nanómetros (por supuesto, hay una variación en el tamaño , pero no me voy a molestar por ahora). nanómetro es $ 10 ^ {- 9} $ metros. Los protones, por ejemplo, son mucho más pequeños y los átomos son en cierto sentido tan grandes que sabemos desde hace más de cien años que no son indivisibles, porque hemos visto en experimentos que no lo son.

Ahora, ¿podemos «ver» los átomos? Esto depende, como ya indiqué, de lo que usted quiere decir con «ver» . Si quiere decir «hacer una imagen con luz visible», entonces «no puede hacer eso». En microscopía, hay una regla de oro que dice que las cosas más pequeñas que se pueden distinguir con un microscopio perfectamente diseñado deben tener un tamaño de aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz que se está iluminando. La versión más exacta de esto se conoce como Límite de difracción de Abbé . La luz visible tiene una longitud de onda de aproximadamente 400-700 nanómetros. Por supuesto, esto es aproximadamente 4000-7000 veces mayor que el diámetro del átomo, por lo que de hecho, no hay forma de que podamos ver un átomo con un microscopio (de difracción) usando luz. [Como se sugiere en los comentarios, hay una serie de métodos para sortear Abbé «s límite de difracción utilizando, en partes, técnicas muy diferentes a la microscopía habitual. Sin embargo, parece que aún no se ha logrado una resolución de átomos.]

Pero hay otras cosas además de la luz que podemos usar. Podríamos, por ejemplo, usar electrones en lugar de luz. La mecánica cuántica nos dice que los electrones, al igual que la luz y todo lo demás, tienen longitudes de onda . Por supuesto, tal microscopio se ve un poco diferente a un microscopio óptico, porque los humanos no tenemos un buen mecanismo de detección de electrones. Esto significa que, para hacer una imagen a partir de los electrones refractados y difractados, necesitamos usar sensores electrónicos y luego recrear la imagen. Este tipo de microscopio que acabo de describir es más o menos un microscopio electrónico de transmisión (TEM) y ha existido durante mucho tiempo. En la actualidad, estos tipos de microscopios tienen una resolución de aproximadamente 0,05 nanómetros (a veces se cita que los TEMS habituales tienen una resolución de aproximadamente 1000 veces mejor que la resolución de los microscopios ópticos, pero usando algunas técnicas de corrección se pueden lograr resoluciones de 0.05 nm y tal vez por debajo de ) . Esto es suficiente para ver un átomo (consulte aquí para obtener una imagen inicial, la otra respuesta contiene imágenes mejores y más recientes), pero probablemente no lo suficiente para ver la imagen que vinculó para tener una resolución ligeramente mejor.

[Nota: hace unos años, definitivamente necesitaba el microscopio que describo en la siguiente sección para una imagen de este tipo, hoy podría para lograrlo a través de TEM también. En otras palabras: hoy en día es posible que pueda «ver» átomos con electrones.]

Entonces, ¿cómo obtuvimos esto:

Pero hay una imagen de wikipedia que muestra átomos de silicio observados en la superficie de los cristales de carburo de silicio.

Tenemos que usar un tipo diferente de microscopio electrónico, un microscopio de túnel de barrido (STM) .Mientras que el TEM funciona básicamente igual que un microscopio óptico, el STM usa conceptos diferentes. Por lo tanto, está aún más alejado de lo que normalmente llamaría «ver». No voy a describir cómo funciona esto en detalle, pero el microscopio consiste en una pequeña punta con un voltaje aplicado y mide el túnel de electrones en la sonda, midiendo así la distancia a la sonda. El pico luego se desplaza sobre el superficie de su material y mide la distancia del material a la punta en muchos puntos, luego construye una imagen topográfica de la sonda. De modo que mide la densidad de electrones alrededor del átomo y, por lo tanto, según lo entendemos, el tamaño del átomo. Con esto, cualquier STM razonable puede obtener una resolución de aproximadamente 0.1 nm y los buenos STM son mucho mejores.

Y así, finalmente, es como podemos ver los átomos.

Comentarios

• @ Martin Tenga en cuenta las afirmaciones en la otra respuesta y en los comentarios a continuación. Además, el enlace a 0.05nm está roto.
• @Emilio Pisanty: Gracias por señalar el enlace roto. Encontré otras fuentes que afirman lo mismo y las agregué. La resolución que cito es básicamente la misma que la de t la nueva respuesta. Técnicamente, nunca dije que no puedas ‘ ver átomos con TEM. Escribí que puedes verlos, pero señalé que ganaste ‘ t obtén la imagen de arriba. Esto sigue siendo cierto, porque la imagen de la pregunta es definitivamente una imagen STM. Además, creo que la resolución es aún mejor y se podría argumentar que el posprocesamiento del STEM a continuación tampoco » ve «. Pero traté de aclarar esto.
• Por supuesto, depende de tu definición de » ver «, pero puede obtener imágenes que modelan bastante cerca de la realidad, gracias a técnicas como microscopía de fuerza atómica

La declaración de Martin anterior:

Ahora, ¿podemos «ver» los átomos? Esto depende, como ya indiqué, de lo que quiere decir con «ver». Si te refieres a «hacer una imagen con luz visible», entonces «no puedes hacer eso.

no es del todo cierto. Uno puede tomar imágenes con luz visible que muestre átomos individuales. Aquí hay un ejemplo:

(1)

La razón por la que esto funciona es que es un sistema en el que los átomos están muy diluidos, mucho más que en un sólido regular, y están confinados a sitios discretos en una hoja 2D. Además, se usa luz a 780 nm para tomar la imagen, que resona con una transición electrónica en átomos y, por lo tanto, se dispersa con mucha fuerza.Los átomos son muy tenues (esta imagen probablemente tuvo un tiempo de exposición de alrededor de un segundo con un sensor CCD de alta calidad), y se necesita una configuración de microscopio muy agradable para obtener el aumento necesario, pero esto Realmente es una imagen de los átomos usando los mismos principios que cualquier imagen de una célula tomada con un n microscopio óptico.

editar: Sin embargo, debo enfatizar que, como casi todas las imágenes científicas, esta es una imagen de falso color con el tono verde elegido arbitrariamente. Entonces, para ser más fiel a lo que uno vería realmente, la escala de colores debería ser el color rojizo de la luz de 780 nm que ilumina los átomos.

Comentarios

• Eso ‘ es una especie de trampa, pero ‘ es un experimento genial. En la misma línea, se puede usar la luz para obtener imágenes de iones individuales en una trampa de iones, como las de las imágenes aquí ; aquí la distancia entre iones es del orden de 10 μm (resultante del equilibrio entre el potencial de confinamiento y su repulsión mutua), que es aproximadamente ~ 20 veces más larga que la longitud de onda de la luz visible y ~ 200,000 más larga que la separación interatómica típica en un cristal.
• @EmilioPisanty Sí, este es un buen punto, el trabajo con iones es anterior a la obtención de imágenes de átomos neutros individuales. En cuanto a si esto es » trampa, » se lo dejaré al lector ‘ s juicio;) (pero me gustaría señalar que el OP de ninguna manera especificó que estaba preguntando sobre los átomos en un sólido).

Esta es una imagen de un nanocristal Sc2O3 obtenido de un microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de abberación.

La imagen de la izquierda se registra midiendo solo los electrones que se han doblado / desviado al pasar a través del material (en este caso, no vemos muy bien los átomos de oxígeno)

La imagen de la derecha mide todos los electrones que atraviesan el material. (En este caso vemos con bastante claridad columnas de oxígeno y escandio, que, en este caso, son columnas de 5 átomos aproximadamente)

En este caso vemos columnas de átomos pero existen STEM tomográficos y pueden reproducir la Ubicaciones 3D de átomos individuales en un material

Los STEM operan enviando electrones a una muestra y registrando cómo esos electrones se dispersan, absorben o transmiten de manera totalmente análoga a cómo funcionan los microscopios de luz, solo que los electrones tienen una longitud de onda MUCHO más pequeña que luz.

No podemos ver átomos usando luz porque los átomos son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz.

Pero los electrones tienen una longitud de onda mucho más pequeña, lo que nos permite sondear características mucho más pequeñas que la luz. podría esperar permitir

Esta imagen tiene una resolución de aproximadamente 70 picómetros (0.07nm) y los átomos tienen «diámetros» aproximadamente de 0.1nm … 10 ^ (- 10) metros. Resolución más que suficiente para ver átomos

Al contrario de la respuesta anterior, podemos, de hecho, obtener imágenes de átomos muy bien utilizando STEM y TEM

Además, los STEM modernos pueden identificar químicamente átomos en función de cómo el haz de electrones se desvía a través de la muestra.

Más electrones en los átomos => mayor desviación.

¡Así que no solo podemos ver los átomos, también podemos estudiar su química y propiedades físicas mientras los miramos!

A continuación se muestra una imagen de un nanocristal Nd3 +: Sc2O3. Los puntos más brillantes corresponden a los átomos de Nd (debido a su número mucho mayor de electrones)

David B. Williams y 1 Microscopía electrónica de transmisión más: un libro de texto para ciencia de materiales (conjunto de 4 volúmenes)

Es una fuente muy completa y exhaustiva sobre todo lo relacionado con micriscooy electrónico

Imágenes grabadas con un JOEL ARM200F y espacio de Fourier filtradas y analizadas con gatan

Comentarios

• Proporcione las fuentes de todas sus imágenes y afirmaciones.
• ¿Realizó el experimento usted mismo? En ese caso, ‘ comprenderá que aún necesita proporcionar una buena referencia al documento que describe los métodos. Además, use el botón editar para incluir las referencias en su publicación en lugar de publicarlas solo en los comentarios.
• No es mi voto negativo, pero (1) la otra respuesta no hace tal afirmación, (2) su la redacción técnica debe mejorar, y (3) debe incluir referencias adecuadas, especialmente cuando sus afirmaciones van en contra del contenido anterior. (No estoy diciendo que ‘ estés equivocado, yo ‘ digo que necesitas más que un yo-digo-así). Disculpas por el restricción de enlace: es una defensa del sistema contra el spam. Si marcas tus referencias en la publicación e incluyes los enlaces en los comentarios, puedo editar los enlaces por ti, pero realmente no ‘ no necesitas URLs cuando las referencias de revistas tradicionales son suficientes. bien.
• Lea la otra respuesta en detalle: ese párrafo habla específicamente de los microscopios TEM. Aún tiene que presentar pruebas que contradigan específicamente las afirmaciones de Martin ‘. En la redacción, particularmente en temas de interés general como este, es necesario escribir para una audiencia general, que el texto actual no aborda; eso puede ser una fuente de votos negativos. El texto actual está fragmentado, es difícil de leer y, por lo general, es mucho menos accesible que la respuesta anterior.
• No ‘ no pretendo debatir contigo tampoco: esto es probablemente mi comentario final aquí, y yo ‘ definitivamente no soy con quien deberías luchar. Probablemente tengas una gran respuesta al acecho que yo ‘ he intentado ayudarte a sacarla, pero en última instancia (en mi opinión) ‘ depende de usted para mejorar su redacción técnica a una etapa en la que ‘ no esté alienando a la audiencia general que ‘ está leyendo su correo. ¡Buen día!