Átomo

Estructura atómica

Todo lo que vemos está formado por los átomos, muchos átomos. La palabra "átomo" viene de la palabra griega "atomos" (indivisible). Hace mucho tiempo ya, al 4 º siglo aC, los filósofos griegos Leucipo y Demócrito emiten la hipótesis de que toda la materia está compuesta de partículas minúsculas en constante movimiento, muy sólidas y eternas. Hoy tenemos una idea un poco más precisa del átomo porque no es indivisible. Conocemos su tamaño aproximado desde 1811, Amedeo Avogadro estima el tamaño de los átomos, a 10^-10 metros. En 1911, Ernest Rutherford especifica la estructura del átomo y da un tamaño al núcleo atómico de aproximadamente 10^-14 metros. Referente el tamaño de los átomos, se habla de orbitales atómicos, es decir, de la nube electrónica alrededor del núcleo (ver imagen), esta nube tiene un diámetro teórico entre 62 pm (picómetros) para el átomo de helio a 596 pm para el átomo de cesio. Pero nada es simple en la naturaleza de la materia y la pequeña distancia varía dependiendo de la naturaleza química de los átomos que lo rodean. Mientras que el núcleo concentra la mayoría de la masa del átomo (99,99%), se conoce su masa, por los átomos estables, es entre 1,674 × 10^-24 g de hidrógeno y 3,953 × 10^-22 g de uranio. Sabemos también su composición, en el interior vemos un núcleo y una nube electrónica que ocupa toda la extensión espacial del átomo, ya que es más de 10.000 veces más grande que su núcleo. Aún más sorprendente, incluso sabemos el número de átomos en el universo, este número es muy grande, así que tuvimos que escribir debe escribir un 1 seguido de 72 ceros.
Pero lo que mantiene la estabilidad de los átomos?
La estabilidad del átomo no puede ser explicada por la física clásica pero en la física clásica, el electrón corpuscular cargado negativamente y el protón cargado positivamente elevan una paradoja.

En la física clásica, la materia debe desaparecer, se anihilar, porque un electrón que irradia alrededor de un núcleo pierde energía (teoría de Maxwell) y por lo tanto debería caer en el núcleo. Esto significa que la estabilidad de un átomo es incomprensible en el contexto de la teoría clásica. Los genios científicos del siglo 20 van a resolver esta paradoja por la mecánica ondulatoria de Louis de Broglie en 1924 y generalizada en 1926 por Erwin Schrödinger (Premio Nobel de Física en 1933 con Paul Dirac, para la ecuación de onda se llama la ecuación de Schrödinger.
En la mecánica cuántica, no es posible conocer el valor exacto de un parámetro sin medir la. La teoría matemática describe un estado, no por una pareja velocidad y posición con precisión, pero por una función de onda que permite de calcular la probabilidad de encontrar una partícula en un punto. De ahí la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica que predice que las partículas son también ondas y no solamente puntos materiales. Los electrones ocupan orbitales atómicos en interacción con el núcleo a través de la fuerza electromagnética, mientras que los nucleones se mantienen unidos en el núcleo por el enlace nuclear, que es una manifestación de la interacción nuclear fuerte. La nube electrónica se estratifica en los niveles de energía cuantificados alrededor del núcleo definiendo las capas y las sub-capas electrónica. Nucleones también se dividen en capas nucleares, aunque modelo muy conveniente, populariza la estructura nuclear por el modelo de la gota líquida. Varios átomos pueden establecer enlaces químicos entre ellos a través de sus electrones y, en general, las propiedades químicas de los átomos están determinadas por su configuración electrónica, que se deriva del número de protones en sus núcleos.
Este número, denominado número atómico, define un elemento químico.

Imagen: Representación de la estructura atómica del átomo de helio-4. Por razones de claridad, la imagen de arriba no respeta la escala. El núcleo aparece de color rosa en el centro, y todos los tonos de gris alrededor, la nube electrónica o orbital atómica. El núcleo de helio-4 es un esquemáticamente ampliado, mostrando los dos protones y dos neutrones en rojo y púrpura, su tamaño es de 1 femtometer o 10^-15 metros.
En realidad, el núcleo (y la función de onda de cada nucleón) es también esférica, como los electrones del átomo. Crédito Imagen: dominio público.

Imagen de un átomo

En 1911, Ernest Rutherford especifica la estructura del átomo bombardeando una lámina de oro con partículas de la desintegración radiactiva del uranio.
Y él da un tamaño al núcleo atómico del orden de 10^-14 metros. Sobre el tamaño de átomos, se habla de orbitales atómicos, es decir, de la nube electrónica que rodea el núcleo, esta nube tiene un diámetro teórico entre 62 pm (picómetros) para el átomo de helio a 596 pm para el átomo de cesio. Ernest Rutherford gustaría ver así los átomos, pero las longitudes de onda de la luz visible (400 a 800 nanómetros) son mayores que las dimensiones de los átomos.
Hoy en día podemos ver los átomos con el STM.
El microscopio de efecto túnel (STM Scanning Tunneling Microscope) aparece en 1981, desarrollado por investigadores de IBM, Gerd Binning y Heinrich Rohrer (Premio Nobel de Física por esta invención en 1986).
El microscopio de efecto túnel es un pequeño microscopio de unos pocos centímetros, de tipo microscopios de campo cercano, dota con una punta de tungsteno (W) o de platino-iridio (Pt Ir), tal fina, del tamaño de un átomo, que se puede escanear en vacío, la superficie de una muestra de materia.
Un ordenador ajusta y registra en tiempo real con alta precisión, la altura de la sonda para mantener una corriente constante. A continuación, el ordenador mide y amplifica la corriente resultante, por efecto túnel, del paso de electrones entre la punta y la superficie de la muestra. Este movimiento refleja la topografía de la superficie y por lo tanto los propios átomos lo que permite reconstruir la imagen detallada de la superficie cubierta en la escala atómica.

Para ver los átomos, los científicos utilizan un metal conductor de la electricidad que no se oxida, tal como oro o platino iridio, porque la mayoría de las superficies de los materiales se cubre con una capa de óxido hiperfina que impide el paso del corriente túnel.
El efecto túnel es una de los propiedades de una partícula cuántica, esta propiedad le permite atravesar una barrera de potencial, incluso si su energía es menor que la energía mínima requerida.

N.B.: el espectro de la luz visible es en el infrarrojo a los rayos ultravioleta, que corresponde a longitudes de ondas de 400 nanómetros en la violeta a 800 nanómetros en la rojo, es decir, de 4x10⁻⁷ a 8x10⁻⁷ metros . Entre la longitud de onda (λ) y la frecuencia (ν) es la relación siguiente : ν = c / λ donde c es la velocidad de la luz, 300.000 km/s.

Imagen: Esta imagen, más cerca de la materia, explica la superficie de una lámina de oro puro (Au (100), visualizada por un microscopio de efecto túnel. Los átomos de oro son visibles en esta imagen, que están uniformemente espaciados ellos en la estructura cristalina. Esta imagen atómica fue realizada con STM Omicron baja temperatura Erwin Rossen, Eindhoven University of Technology, 2006.