¿Es posible "ver" los átomos?

Esto depende completamente de lo que entiendas por "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). un 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 bien, ¿podemos "ver" los átomos? Esto depende, como ya insinué, de lo que quieras decir con "ver". Si quiere decir "hacer una imagen en luz visible", entonces no puede hacer eso. En microscopía, existe una regla general de que las cosas más pequeñas que puede distinguir con un microscopio perfectamente diseñado deben tener un tamaño de aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz que está brillando en él. La versión más exacta de esto se conoce como el límite de difracción de Abbé . La luz visible tiene una longitud de onda de unos 400-700 nanómetros. Esto es, por supuesto, unas 4000-7000 veces el diámetro del átomo, por lo que 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 el límite de difracción de Abbéutilizando, en parte, técnicas muy diferentes a la microscopia habitual. Sin embargo, parece que todavía no se ha logrado una resolución de los 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, dicho 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 crear 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 existen desde hace mucho tiempo. Hoy en día, estos tipos de microscopios tienen una resolución de aproximadamente 0,05 nanómetros .(Los TEMS habituales a veces se citan para tener 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 ). Esto es suficiente para ver un átomo (vea aquí una imagen anterior, la otra respuesta contiene imágenes mejores y más recientes), pero probablemente no sea suficiente para ver la imagen que vinculó para tener una resolución ligeramente mejor.

[Nota: hace algunos años, definitivamente necesitabas el microscopio que describo en la siguiente sección para obtener una imagen de este tipo, hoy también podrías lograrlo a través de TEM. En otras palabras: hoy podrías ser capaz de "ver" átomos con electrones.]

Entonces, ¿cómo obtuvimos esto?

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

Tenemos que usar un tipo diferente de microscopio electrónico, un microscopio de efecto túnel (STM). Mientras que el TEM funciona básicamente igual que un microscopio óptico, el STM utiliza conceptos diferentes. Por lo tanto, está aún más alejado de lo que ordinariamente llamarías "ver". No voy a describir cómo funciona esto en detalle, pero el microscopio consta de una pequeña punta con un voltaje aplicado y mide el túnel de electrones en la sonda, midiendo así la distancia a la sonda. Luego, el pico vaga sobre la superficie de su material y mide la distancia del material a la punta en muchos puntos, luego construye una imagen topográfica de la sonda. Entonces mide la densidad de electrones alrededor del átomo y, por lo tanto, tal como lo entendemos, el tamaño del átomo. Con esto, cualquier STM razonable puede obtener una resolución de alrededor de 0,1 nm y los buenos STM son mucho mejores.

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

La declaración de Martin arriba:

Ahora bien, ¿podemos "ver" los átomos? Esto depende, como ya insinué, de lo que quieras decir con "ver". Si quiere decir "hacer una imagen en luz visible", entonces no puede hacer eso.

en realidad no es del todo cierto. Uno puede tomar imágenes usando luz visible que muestren átomos individuales. Aquí hay un ejemplo:

(1)

La razón por la que esto funciona es que se trata de 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, para tomar la imagen se usa luz a 780 nm, que resuena con una transición electrónica en estos átomos y por lo tanto se dispersa muy fuertemente. 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 muy buena configuración de microscopio para obtener el aumento necesario, pero esta es realmente una imagen de los átomos usando los mismos principios que cualquier imagen de una célula tomada con un microscopio óptico.

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

Esta es una imagen de un nanocristal de Sc2O3 obtenido de un microscopio electrónico de transmisión de barrido corregido por aberración.

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

La imagen de la derecha mide todos los electrones que pasan a través del material. (En este caso vemos bastante claramente las columnas de oxígeno y escandio - que, en este caso, son columnas de 5 átomos más o menos)

En este caso, vemos columnas de átomos, pero existen STEM tomográficos y pueden reproducir las ubicaciones 3D de átomos individuales en un material.

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

No podemos ver los 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 probar características mucho más pequeñas de lo que la luz podría permitir.

Esta imagen tiene una resolución de aproximadamente 70 picómetros (0,07 nm) y los átomos tienen "diámetros" de aproximadamente 0,1 nm... 10^(-10) metros. Resolución más que suficiente para ver átomos

Al contrario de la respuesta anterior, podemos, de hecho, representar átomos muy bien usando STEM y TEM

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

Más electrones en los átomos => mayor desviación.

¡Entonces 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 de Nd3+:Sc2O3. Los puntos más brillantes corresponden a los átomos de Nd (debido a su mayor número de electrones)

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

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