Tamaño de los Átomos

Descripción de la imagen: Desde la década de 1990, gracias al Microscopio de Efecto Túnel, ha sido posible ver y manipular individualmente los átomos en la superficie de un material. Para realizar este tipo de imagen, la punta muy fina del microscopio escanea la superficie del material, a unos pocos nanómetros de altura, emitiendo una tensión eléctrica constante. Al pasar sobre las orbitales atómicas, es capaz de registrar variaciones mínimas de la corriente de túnel que circula en la superficie. En la superficie del material, solo un pequeño flujo de electrones logra atravesar la barrera de potencial por efecto túnel, un fenómeno bien conocido de la mecánica cuántica. Esta corriente eléctrica es entonces medida por el microscopio, que reproduce fielmente la topografía de la superficie, con una resolución del orden de 0,1 nanómetros o 1 angstrom, es decir, el tamaño del átomo. Crédito de la imagen: STM Image Gallery Blue Nickel.

¡Ver un Átomo!

El átomo es la partícula más pequeña de un elemento químico; está constituido por un núcleo alrededor del cual se mueven un cierto número de electrones, 1 para el hidrógeno, 6 para el carbono, 26 para el hierro, 92 para el uranio, etc.

Son las interacciones electrón-electrón debidas a sus asombrosas propiedades cuánticas las que dan lugar a la gran diversidad de elementos que encontramos en la naturaleza. La organización de los elementos de la naturaleza está representada por la tabla periódica de los elementos o tabla de Mendeléiev, que clasifica todos los elementos químicos naturales y artificiales, ordenados por número atómico (número de protones) creciente y organizados según su configuración electrónica.

El mundo de los electrones pertenece al mundo cuántico de los átomos, es decir, al mundo microscópico. En 1 gramo de materia como el carbono 12, hay ≈10²² átomos. Conocemos el tamaño aproximado de los átomos desde 1811. Amedeo Avogadro (1776-1856) estimó este tamaño en 1 angstrom, es decir, 10^-10 metros, y un siglo después, en 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) precisó la estructura del átomo y dio un tamaño al núcleo atómico del orden de 10^-14 metros. Se puede decir que los átomos están separados unos de otros por unos pocos angstroms.

Nubes Electrónicas

Desde el advenimiento de la mecánica cuántica en la década de 1920, el electrón ya no se representa como un objeto que gira en una órbita regular alrededor del núcleo. Sabemos hoy que el movimiento de un electrón es muy diferente del movimiento de los planetas. En mecánica cuántica, el electrón no sigue una trayectoria única; se encuentra aquí y allá, en una región alrededor del núcleo que llamamos la nube electrónica o orbital atómica.

Las orbitales del electrón pueden adoptar diferentes formas características dependiendo de la naturaleza del átomo. Por ejemplo, la orbital del átomo de hidrógeno tiene una forma esférica, la orbital del átomo de oxígeno tiene la forma de dos gotas de agua, la orbital del átomo de hierro tiene la forma de cuatro gotas de agua. Esta forma de la orbital atómica define el tamaño del átomo. El diámetro de la nube electrónica alrededor del núcleo, es decir, el diámetro de todo el átomo, es del orden de 0,1 nanómetros o una diezmilmillonésima de metro. Un átomo es tan pequeño que se podrían alinear 10 millones de átomos en un milímetro.

Sin embargo, la nube electrónica de un átomo no tiene una dimensión bien definida porque es una superposición de orbitales atómicas de naturaleza probabilística. Por lo tanto, no existe una definición única ni una medición precisa del tamaño de los átomos, porque la forma de esta región del espacio atómico depende de la energía del electrón y su momento cinético.

Concepto de Tamaños de los Átomos

Los científicos han definido un radio atómico teórico que representa la mitad de la distancia media entre los núcleos de átomos unidos entre sí. Aunque esta distancia varía dependiendo de las propiedades del átomo, es posible calcular para cada núcleo atómico el tamaño de sus orbitales atómicas.

El tamaño de los átomos aumenta dependiendo del número de electrones o, más bien, de la ocupación de las orbitales atómicas de los electrones en la capa exterior, que está mucho menos ligada al núcleo que las capas interiores. Cuantas más capas (niveles de energía cuántica) haya en el átomo, más extendida estará la capa exterior; en otras palabras, la superposición de orbitales atómicas aumenta el tamaño de los átomos porque la capa exterior está cada vez menos ligada al núcleo y, por lo tanto, más libre. Sin embargo, cuantos más electrones haya en las capas interiores, mayor será la atracción del núcleo atómico porque habrá más y más protones y, por lo tanto, cargas positivas. Esta propiedad (número de protones) limita la extensión espacial de las orbitales atómicas cargadas negativamente (cargas negativas de los electrones), acercándolas al núcleo.

Tamaños de algunos radios atómicos teóricos: Hidrógeno 53 picómetros (10^-12 metros), Carbono 57 pm, Oxígeno 48 pm, Calcio 94 pm, Hierro 156 pm, Cobre 145 pm, etc.

La Película más Pequeña del Mundo

Gracias al microscopio de efecto túnel, es posible ver y manipular individualmente los átomos en la superficie de un material. La empresa IBM creó la película más pequeña del mundo con átomos de hierro sobre una placa de cobre.

En esta nanopelícula, cada punto luminoso es un átomo que ocupa 12 píxeles en esta pantalla. Las pequeñas ondas sucesivas que crean oscilaciones alrededor de los puntos luminosos no son un defecto de la película, sino ondas de electrones. Estas Oscilaciones de Friedel no son una rareza, sino que revelan la naturaleza cuántica de los átomos, tanto partículas como ondas. La forma de estas oscilaciones constituye una verdadera tarjeta de identidad de los electrones.

La nanopelícula mide 52 átomos (hierro) por 32, es decir, ≈ 8 nanómetros por ≈ 5 nanómetros. En una longitud de 1 milímetro, se podrían alinear 10,000 películas de este tamaño. Cada imagen se produce con la punta de un microscopio de efecto túnel, a unos pocos grados del cero absoluto; también es la película más fría del mundo.