¿Existen los átomos?

Hay muchos ejemplos de personas que dudan ( [1] , [2] , [3] , [4] , [5] ) o niegan ( [6] , [7] , [8] ) la existencia de los átomos.

¿Hay alguna evidencia convincente de la existencia de los átomos? ¿Alguien ha visto alguna vez uno? ¿Hay fotos de átomos?

Soy escéptico de que los átomos sean algo más que un modelo matemático útil.

La teoría atómica de la materia es una de las ideas mejor validadas en la ciencia moderna, pero la capacidad de "ver" átomos no es lo que convenció a la gente de que era una buena hipótesis (y ver átomos es una tecnología muy reciente). Así funcionó la forma en que la teoría atómica explicaba cosas como muchas observaciones en química, como la ley de los gases ideales y la naturaleza de las reacciones químicas.
Creo que la "existencia" en el caso de fenómenos físicos (y otros) no obvios no es un término bien definido y la pregunta no tiene respuesta. ¿Existe el pensamiento? ¿Existe la luz? ¿Existen los rayos gamma? ¿Existen los muones? ¿Existe la antimateria? Hay muchos conceptos que son útiles y la mayoría de la gente estaría de acuerdo en que "existen", pero su existencia no es algo que uno pueda "ver".
Hemos abordado preguntas escépticas de muchos otros asuntos obvios. El hecho de que sea física básica no es una buena razón para el cierre. Ver también preguntas sobre la memoria del agua, la edad del universo y los viajes a la luna.
Esta pregunta ha pasado por una revisión significativa y ha estado reuniendo votos cerrados a lo largo del camino, aunque personalmente creo que ahora se ha convertido en una buena pregunta. Supongo que la razón es que la gente no cree que nadie deje de creer en los átomos. He agregado algunos enlaces (crédito a Sklivvz por encontrarlos) para solucionar esto. Si hay otra razón para los votos cerrados, por favor comente.
Los enlaces no muestran dudas reales sobre la teoría atómica, se refieren a la pregunta "real o modelo". Más en el meta .
@Suma, eso es exactamente sobre lo que el OP es escéptico (mire las revisiones anteriores y lea entre líneas)
No creo que las preguntas que son escépticos de hechos bien establecidos estén en el tema.
@JohnSteeley básicamente todas nuestras preguntas son escépticas sobre hechos bien establecidos. De hecho, les respondemos con referencias a artículos publicados en conocidas revistas científicas... :-)
5k vistas en 2 días?
@Believer: gracias a las revisiones de Sklivvz y otros, de hecho, mi pregunta y título originales merecen comentarios negativos ya que mi gramática es muy mala y la pregunta no es clara, pero mejora y se acerca más a mi punto con cada revisión. 8)
¿Se hizo hace tres días como dice o en realidad es una pregunta anterior?
@Believer se le preguntó hace 3 días, subió al supercolisionador y Jeff Atwood lo tuiteó.
Me sorprende que algunas personas realmente duden de la existencia de los átomos. Me recuerda a la única persona que me dijo que no puede ser cierto que todas las cosas estén hechas de átomos, porque puedes hacer bombas con ellos y, por lo tanto, todo sería explosivo...
Si la longitud de onda es un problema, ¿por qué no usar longitudes de onda más cortas?
@JimThio: Debido a que no puede enfocar longitudes de onda más cortas, solo puede difractarlas.
¿Es posible agregar la visibilidad directa de las partículas alfa que golpean una pantalla de centelleo? Este es uno de los primeros casos en los que una persona puede ver átomos individuales directamente.
La respuesta depende del marco en el que esté trabajando (física frente a lo cotidiano frente a la lingüística frente a la filosofía).

Respuestas (5)

Los átomos son demasiado pequeños para verlos con microscopios que dependen de la luz (también debido a problemas como el límite de difracción de Abbe ). Esencialmente, con un microscopio convencional no puedes distinguir puntos que están demasiado cerca.

Incluso los microscopios de superresolución introducidos recientemente , que pueden superar este límite, todavía no son capaces de obtener imágenes de átomos individuales (sí pueden, sin embargo, distinguir moléculas individuales, con una distancia de <20 nm).

Esto se debe principalmente al hecho de que estos microscopios se basan en la luz, que tiene una longitud de onda que es demasiado larga para "atrapar átomos" (disculpe la redacción no científica de esta oración).

Sin embargo, existen varias otras técnicas que nos permiten "ver" los átomos. Me gustaría enfatizar que la naturaleza misma de los átomos nos impide realmente tener una foto de ellos como tomamos una foto de un objeto macroscópico.

Existen varias técnicas:

Microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM), que utiliza el cambio de fase de una onda de electrones lanzados a la muestra.

Este es un ejemplo de una nanopartícula de indio fotografiada con HRTEM:

Imagen de nanopartículas de indio con HRTEM(De: " Investigación actual ", Prof. Dr. Nicola Pinna )

Estas son imágenes HRTEM de un superconductor:

superconductor HRTEM(De: " Orden estructural y desorden en cupratos estratificados basados ​​en Co CoSr 2 (Y,Ce) s Cu 2 O 5+2s (s = 1-3) ", Instituto Nacional de Ciencias de Materiales )

Otra técnica es la cristalografía de rayos X. No voy a explicar las matemáticas y la física más allá de esto, ya que son bastante complejas, pero esencialmente tomas un cristal de la molécula que te gusta, haces brillar un haz de rayos X sobre él y observas cómo los rayos X son dispersados ​​por el átomos en el cristal.

El patrón de difracción per se no muestra los átomos individuales, pero el análisis matemático de los puntos de difracción permite la reconstrucción de un mapa de densidad de electrones y, posteriormente, de la estructura de la molécula.

Probablemente uno de los patrones de difracción de rayos X más famosos es la Foto 51 hecha por Rosalind Franklin de ADN, que luego fue utilizada por los ganadores del premio Nobel James D. Watson y Francis Crick.

Foto 51 - Difracción de rayos X del ADN

Véanse también algunos trabajos publicados al respecto.

Finalmente otra técnica es el microscopio de fuerza atómica . El principio es tener un voladizo muy pequeño que pueda pasar sobre la muestra y sea empujado hacia arriba y hacia abajo debido a la interacción con los campos de electrones de los átomos. En 2009 se desarrolló una versión mejorada de AFM, que permite ver átomos y enlaces en una molécula.

La estructura química de una molécula resuelta por microscopía de fuerza atómica - Gross et al. - Ciencia 2009

SFM de una molécula de pentaceno

Molécula de pentaceno. Arriba: modelo de bola y palo, medio: SFM clásico, abajo: SFM mejorado. Barra de escala 5 angstrom.

Actualización: los científicos ahora han tomado una fotografía de un solo átomo de iterbio, que muestra la sombra creada por un láser que lo golpea.

Átomo de iterbio

Como una humilde ofrenda además de esta fantástica respuesta, puedo mencionar el experimento Geiger-Marsden .
@DJClayworth: buena adición. En realidad, hay muchos otros métodos que indirectamente nos dan "fotos" de átomos. Por ejemplo , la espectroscopia RMN o RAMAN , aunque probablemente SFM sea la más "convincente" desde un punto de vista visual y conceptual.
Hermosa respuesta!
Creé una cuenta solo para votar esta publicación :P
@wim: wow, no esperaba un retorno tan grande :)
Los jóvenes lo tienen fácil en estos días. Toda esta tecnología moderna y sofisticada que se acerca bastante a la visualización de átomos y moléculas hace que las cosas sean demasiado simples. Piensa cómo fue para las personas que derivaron la teoría atómica original que lograron obtener una teoría poderosa sin nada de esto. O, más recientemente, Mendeleev, quien creó una clasificación periódica precisa de los elementos antes de que la ciencia moderna hubiera elaborado la estructura del átomo. El último componente principal del átomo, el neutrón, no se descubrió hasta la década de 1930. ¡Sin embargo, los libros de química todavía tenían átomos!
@matt_black: No creo que alguna vez ponga la cristalografía de rayos X en mi lista de "cosas fáciles de hacer". Definitivamente no. :) Además, ni TEM ni la cristalografía son realmente "tecnología moderna", ¡ambos fueron inventados a principios del siglo pasado!
Por supuesto, ninguna de estas cosas 'prueba' que los átomos sean algo más que un 'modelo matemático útil'. Pero luego hay que empezar a profundizar en la epistemología y la naturaleza de la relación entre nuestro conocimiento del mundo y la realidad del mismo. A todos los efectos prácticos, nuestros modelos matemáticos en los que los átomos juegan un papel importante tienen un valor predictivo tan poderoso que es una especie de ridícula sutileza filosófica debatir si existen o no.
@Omnifarious: Creo que estos experimentos prueban que la materia está formada por átomos. Lo que no prueban (porque eso probablemente no sea cierto), es que nuestro modelo actual de átomo sea correcto . Nuestro modelo de átomo es un modelo, por lo tanto, es una representación simplificada de la realidad. Con esto en mente, podemos pensar en él como una herramienta matemática útil que predice correctamente lo que sucede en la vida real la gran mayoría de las veces. :)
@nico: no, prueba que si interactúas con la materia de cierta manera, se comporta como si estuviera formada por átomos. Podría, por ejemplo, idear una serie de experimentos que "demuestren" que la luz está hecha de partículas. Supongo que podrías decir que tengo un modelo incompleto de la luz, pero que todavía he 'probado' que la luz está hecha de partículas.
@Omnifarious: pero entonces tendrías (parcialmente) razón. La luz está hecha de partículas. Y es una ola al mismo tiempo. Así que su experimento (que se hizo hace un siglo) prueba que la luz está hecha de partículas. Eso no excluye que su naturaleza sea más compleja, ¿no crees? Pero eso es probablemente más una pregunta para Philosophy SE: D
@nico - Sí. Como dije, pelos de punta. Además, ¿cómo sabemos que los átomos no son solo características de una simulación? Y si es así, ¿siguen 'existiendo'? De nuevo, cuestión de filosofía. Es solo que creo que a muchas personas les cuesta dar el salto de 'este modelo matemático dice que estas cosas existen' a 'estas existen'. Diablos, el neutrino y el quark son ejemplos modernos de físicos reales que tienen este problema. Por supuesto, a medida que el modelo requerido para describirlos se hizo más y más integral, los físicos decidieron que 'existían'.
@nico: la espectroscopia Raman detecta vibraciones moleculares (o fonones en un cristal; como químico, ambos son fundamentalmente diferentes de "un átomo" para mí, ya que involucran múltiples átomos). No obtendrá una señal dispersa Raman de un solo átomo. Pero hablando de dispersión inelástica, por supuesto que puede obtener la dispersión Compton de un solo átomo (o más bien, uno de sus electrones).
Es posible que desee actualizar la respuesta con una fotografía "despejada": petapixel.com/2018/02/12/…

Ninguna discusión sobre los átomos estaría completa sin mencionar el movimiento browniano .

El movimiento browniano es el movimiento extraño y aparentemente aleatorio de pequeñas partículas (como el polvo) cuando están suspendidas en un fluido. Este fenómeno permaneció sin explicación durante casi 80 años, hasta que Einstein publicó un artículo en 1905 (el mismo año en que publicó su artículo sobre la teoría especial de la relatividad) que mostraba que, si asumimos que existen átomos y que el movimiento browniano se debe a los átomos que bombardean la partícula , el movimiento se comportará de una forma muy particular . ¡Incluso dio ecuaciones para estimar el tamaño de los átomos!

Al principio se ignoró el papel, ya que no concordaba con el movimiento de partículas observado; sin embargo, resulta que los experimentos anteriores tenían fallas y, a través de una serie de experimentos muy cuidadosos en 1908-09, Jean Perrin verificó que las partículas se movían exactamente de la manera que predijo Einstein. Por este trabajo, Jean Perrin ganó el Premio Nobel.

Esto generalmente se considera el punto de inflexión de la teoría atómica: antes de este trabajo, el mundo científico estaba dividido sobre la existencia de los átomos, pero después de esto, su existencia se volvió muy difícil de negar.

Una publicación de blog muy interesante sobre Perrin señala que demostró que el comportamiento de las películas de jabón solo tiene sentido si existen moléculas. Frase clave "Del mismo modo, Perrin demostró que la diferencia en el grosor de la película de jabón era siempre un múltiplo entero del tamaño de la molécula de jabón ".

Sí, los átomos indudablemente existen.

También tuve la duda hace unos años: ¿son realmente reales o solo abstracciones? - ¡Hasta que apareció la siguiente literatura revisada por pares , interesante y muy convincente sobre el tema!

DM Eigler, EK Schweizer. Posicionamiento de átomos individuales con un microscopio de túnel de barrido. Naturaleza 344, 524-526 (1990).

Aquí informamos el uso del STM a bajas temperaturas (4 K) para colocar átomos de xenón individuales en una superficie de níquel monocristalino con precisión atómica. Esta capacidad nos ha permitido fabricar estructuras rudimentarias de nuestro propio diseño, átomo por átomo. Los procesos que describimos son, en principio, aplicables también a las moléculas. En vista de las características similares a dispositivos reportadas para átomos individuales en superficies, las posibilidades de quizás lo último en miniaturización de dispositivos son evidentes.

Se da la siguiente imagen. Sí, es una imagen digital porque así es como funcionan los microscopios de túnel de barrido. Todos los datos representados son reales (como una imagen digital).

Átomos escribiendo IBM

Después del artículo histórico de IBM de 1990, muchos otros grupos han reproducido los resultados. IBM Research mantiene un sitio completo dedicado a imágenes STM aquí:

http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html

http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html (NOTA: máquina wayback )

Además, un solo átomo de estroncio ha sido fotografiado usando una cámara ordinaria por un grupo de la Universidad de Oxford , aquí está la imagen: haga clic para ampliar.

Crédito de la foto: David Nadlinger

Crédito de la foto: David Nadlinger

Si esta es una imagen de los átomos, ¿sobre qué descansan y por qué tienen forma cónica?
Es una imagen que representa el campo electromagnético experimentado por una aguja mientras escanea a través de una cuadrícula. Los grumos corresponden a los átomos,
@user1359: Para imaginar cómo funciona, mira aquí en.wikipedia.org/wiki/Displacement_mapping , tenemos un concepto similar en gráficos 3D en el que transformas una imagen 2D en blanco y negro en una forma 3D.
Entonces, ¿de 1990 a 2012 son solo unos pocos años para ti? ;-)
@SonnyOrdell: Soy viejo, amigo.
Bah, ¿desde cuándo tiene 40 años?
Y aún más viejo hoy.

¿Te convencería una imagen real de un solo átomo capturado?

ingrese la descripción de la imagen aquí

IBM tenía un gran proyecto que proporcionaba imágenes e incluso un video de átomos. El video se llama " A Boy and His Atom ". Tiene el récord mundial Guinness de la película de stop-motion más pequeña del mundo , que no es el premio más prestigioso y convincente, pero es algo. Puedes ver cómo se hace en el video, " Moviendo átomos: Haciendo la película más pequeña del mundo ".

La película y las imágenes se realizaron con un microscopio de túnel de barrido (STM), que les valió a sus inventores, Gerd Binning y Heinrich Rohrer, el Premio Nobel de Física en 1986 .

Aquí hay una cita que explica las habilidades técnicas del STM:

C. Bai (2000). Microscopía de túnel de barrido y su aplicación . Nueva York: Springer Verlag. págs. 2-3.

STM puede lograr una resolución de nivel atómico. Las resoluciones lateral y vertical pueden alcanzar 0,1 nm y 0,01 nm, respectivamente, es decir, se pueden resolver átomos y moléculas individuales.

STM se puede emplear para la modificación de una superficie y para la manipulación de átomos y moléculas a través de interacciones punta-muestra, lo que abre las perspectivas de construir dispositivos a escala atómica o molecular.

La página de inicio del proyecto tiene mucha más información sobre el proyecto, incluido algo de arte atómico de Star Trek:

Logotipo de Star Trek http://www.research.ibm.com/software/IBMResearch/images/atomicmemory/star-trek-logo_image.jpg

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