É possível “ ver ” átomos?

Isso depende inteiramente do que você significa “ver”. Deixe-me começar observando:

Pelo que sei, os átomos são pequenos além de nossa imaginação

No. Os átomos são muito grandes em comparação com outras coisas com as quais brincamos, como seus constituintes (prótons, elétrons) em aceleradores de partículas. O tamanho dos átomos é da ordem de 0,1 nanômetros (é claro, há uma variação no tamanho , mas não vou me preocupar por enquanto). nanômetro é $ 10 ^ {- 9} $ metros. Os prótons, por exemplo, são muito menores e os átomos são, em certo sentido, tão grandes que sabemos há mais de cem anos que eles não são indivisíveis, porque vimos em experimentos que eles não são.

Agora, podemos “ver” átomos? Isso depende, como já sugeri, do que você quer dizer com “ver” Se você quer dizer “fazer uma foto na luz visível”, então não pode fazer isso. Em microscopia, existe uma regra de ouro que as menores coisas que você pode distinguir com um microscópio perfeitamente projetado devem ter um tamanho de cerca de metade do comprimento de onda da luz que você está brilhando. A versão mais exata disso é conhecida como o Limite de difração de Abbé . A luz visível tem comprimento de onda de cerca de 400-700 nanômetros. Isso é, naturalmente, cerca de 4000-7000 vezes o diâmetro do átomo, então de fato, não há como ver um átomo com um microscópio (de difração) usando luz. [Como sugerido nos comentários, existem vários métodos para contornar Abbé “s limite de difração usando, em partes, técnicas muito diferentes da microscopia usual. Parece, entretanto, que uma resolução de átomos ainda não foi alcançada.]

Mas existem outras coisas além da luz que podemos usar. Poderíamos, por exemplo, usar elétrons em vez de luz. A mecânica quântica nos diz que os elétrons, assim como a luz e tudo mais, têm comprimentos de onda . É claro que esse microscópio parece um pouco diferente de um microscópio de luz, porque nós, humanos, não temos um bom mecanismo de detecção de elétrons. Isso significa que, para fazer uma imagem dos elétrons refratados e difratados, precisamos usar sensores eletrônicos e recriar a imagem. Este tipo de microscópio que acabei de descrever é mais ou menos um microscópio eletrônico de transmissão (TEM) e já existe há muito tempo. Hoje, esses tipos de microscópios têm uma resolução de cerca de 0,05 nanômetros (TEMS comuns às vezes são citados como tendo uma resolução cerca de 1000 vezes melhor do que a resolução de microscópios de luz, mas usando algumas técnicas de correção pode-se atingir resoluções de 0,05 nm e talvez abaixo ) . Isso é quase o suficiente para ver um átomo (veja aqui para uma imagem inicial, a outra resposta contém imagens melhores e mais recentes), mas provavelmente não é o suficiente para ver a imagem que você vinculou para ter uma resolução um pouco melhor.

[Nota: alguns anos atrás, você definitivamente precisava do microscópio que descrevo na próxima seção para tal imagem, hoje você pode ser capaz para conseguir isso também por meio de TEMs. Em outras palavras: hoje você pode ser capaz de “ver” átomos com elétrons.]

Então, como conseguimos isso:

Mas há uma imagem da Wikipedia que mostra átomos de silício observados na superfície de cristais de carboneto de silício.

Temos que usar um tipo diferente de microscópio eletrônico, um microscópio de tunelamento de varredura (STM) .Enquanto o TEM funciona basicamente da mesma forma que um microscópio óptico, o STM usa conceitos diferentes. Portanto, está ainda mais distante do que você normalmente chamaria de “ver”. Não vou descrever como isso funciona em detalhes, mas o microscópio consiste em uma pequena ponta com uma voltagem aplicada e mede o tunelamento de elétrons na sonda, medindo assim a distância até a sonda. O pico então vagueia sobre o superfície do seu material e mede a distância do material até a ponta em muitos pontos, construindo então uma imagem topográfica da sonda. Assim, ela mede a densidade do elétron ao redor do átomo e, assim, como o entendemos, o tamanho do átomo. Com isso, qualquer STM razoável pode obter uma resolução de cerca de 0,1 nm e bons STMs são muito melhores.

E, finalmente, é como podemos ver os átomos.

Comentários

• @ Martin Observe as afirmações na outra resposta e nos comentários abaixo dela. Além disso, o link de 0,05 nm está quebrado.
• @Emilio Pisanty: Obrigado por apontar o link quebrado. Encontrei outras fontes afirmando o mesmo e adicionei-as. A resolução que cito é basicamente a mesma que a de t ele nova resposta. Tecnicamente, nunca afirmei que você pode ‘ ver átomos com TEMs – escrevi que você pode vê-los – mas indiquei que você ganhou ‘ t obter a imagem acima. Isso continua sendo verdade, porque a imagem da questão é definitivamente uma imagem STM. Além disso, acho que a resolução ainda é melhor e você pode argumentar que o pós-processamento do STEM abaixo também não está ” vendo “. Mas tentei esclarecer isso.
• Claro que depende da sua definição de ” veja “, mas nós pode obter imagens que modelam bastante perto da realidade, graças a técnicas como microscopia de força atômica

A declaração de Martin acima:

Agora, podemos “ver” os átomos? Isso depende, como já indiquei, do que você entende por “ver”. Se você quer dizer “fazer uma imagem na luz visível”, então não pode “fazer isso.

não é bem verdade. Um pode tirar imagens usando luz visível que mostram átomos individuais. Aqui está um exemplo:

(1)

O motivo pelo qual isso funciona é que este é um sistema em que os átomos são muito diluídos, muito mais do que em um sólido regular, e estão confinados a locais discretos em uma folha 2D. Além disso, a luz a 780 nm é usada para obter a imagem, que é ressonante com uma transição eletrônica nestes átomos e, portanto, está espalhado muito fortemente. Os átomos são muito escuros (esta imagem provavelmente teve um tempo de exposição de cerca de um segundo com um sensor CCD de alta qualidade), e uma configuração de microscópio muito boa é necessária para obter a ampliação necessária, mas isso realmente é uma imagem dos átomos usando os mesmos princípios que qualquer imagem de uma célula tirada com um n microscópio óptico.

editar: Devo enfatizar, porém, que, como quase todas as imagens científicas, esta é uma imagem de cor falsa com a tonalidade verde escolhida arbitrariamente. Portanto, para ser mais fiel ao que realmente veríamos, a escala de cores deveria ser a cor avermelhada da luz de 780 nm que está iluminando os átomos.

Comentários

• Isso ‘ é meio trapaça, mas ‘ é um experimento legal. Da mesma forma, pode-se usar a luz para criar imagens de íons individuais em uma armadilha de íons, como as nas imagens aqui ; aqui a distância inter-íon é da ordem de 10 μm (resultante do equilíbrio entre o potencial confinante e sua repulsão mútua), que é cerca de ~ 20 vezes maior do que o comprimento de onda da luz visível e ~ 200.000 maior do que a separação interatômica típica em um cristal.
• @EmilioPisanty Sim, este é um bom ponto, o trabalho com íons é anterior à geração de imagens de átomos neutros individuais. Quanto a se isso é ” trapaça, ” Deixo isso para o leitor ‘ julgamento s;) (mas eu observaria que o OP de forma alguma especificou que ele estava perguntando sobre átomos em um sólido).