¿Cómo vemos la estructura oculta de los átomos?

Ver los átomos: una exploración de la estructura atómica — **Estructura del átomo de helio**: En el centro, el núcleo compacto compuesto por 2 protones y 2 neutrones (escala: 1 femtómetro). Alrededor, la nube electrónica difusa representa la probabilidad de presencia de los electrones en su estado fundamental (1s).
Fuente de la imagen: Wikipedia (nueva ventana) — dominio público.

Resumen científico

El artículo de Astronoo presenta los átomos, componentes fundamentales de la materia. Recorre la historia de su descubrimiento, desde la Antigüedad hasta Rutherford, y explica su estructura: un núcleo denso y una nube electrónica. La estabilidad atómica, inexplicable en la física clásica, se resuelve mediante la mecánica cuántica y la ecuación de Schrödinger. El artículo muestra imágenes de una superficie de oro obtenidas con microscopía de efecto túnel, que ilustran la visualización directa de los átomos, así como la hazaña histórica de IBM en 1990 de posicionar átomos uno a uno. También aborda los radios atómicos, su variabilidad y los avances recientes en microscopía de fuerza atómica.

¿Cómo han logrado los científicos ver y comprender la estructura del átomo, esa entidad esquiva?

El artículo explora la estructura atómica, desde las primeras hipótesis de los filósofos griegos hasta las imágenes modernas obtenidas mediante microscopía de efecto túnel. Detalla el tamaño, la masa y la composición de los átomos, así como la paradoja de su estabilidad, resuelta por la mecánica cuántica. El lector descubre que el átomo no es indivisible, sino que está compuesto por un núcleo y una nube electrónica. Los avances tecnológicos, como el STM, permiten ahora visualizar directamente los átomos, como muestra la imagen del oro, e incluso moverlos uno a uno, como demostró IBM ya en 1990. El artículo también aborda la cuantificación de los niveles de energía y la distribución de los nucleones. Este viaje al corazón de la materia revela la complejidad y la elegancia de lo infinitamente pequeño, y responde a la pregunta fundamental: ¿qué sabemos realmente sobre el átomo?

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Estructura del átomo

Historia y descubrimiento del átomo

Todo lo que vemos está formado por átomos, muchos átomos de la palabra griega "atomos" (indivisible). Hace mucho tiempo, en el siglo IV a.C., los filósofos griegos Leucipo y Demócrito plantearon la hipótesis de que toda la materia está compuesta por partículas diminutas en movimiento perpetuo, muy sólidas y eternas. Hoy tenemos una idea un poco más precisa del átomo, porque no es indivisible.

Su tamaño aproximado se conoce desde 1811, cuando Amedeo Avogadro estimó el tamaño de los átomos en 10^-10 metros. En 1911, Ernest Rutherford precisó la estructura del átomo y dio al núcleo atómico un tamaño del orden de 10^-14 metros.

Tamaño, masa y composición del átomo

En cuanto al tamaño de los átomos, hablamos de orbitales atómicos, es decir, de la nube electrónica que rodea al núcleo. Esta nube tiene un diámetro teórico que oscila entre 62 pm (picómetros) para el átomo de helio y 596 pm para el átomo de cesio. Nada es sencillo en la naturaleza de la materia, y esta diminuta distancia varía según la naturaleza química de los átomos circundantes.

Aunque el núcleo concentra la mayor parte de la masa del átomo (99,99%), también se conoce su masa; para los átomos estables, oscila entre 1,674×10^-24 g para el hidrógeno y 3,953×10^-22 g para el uranio.

También se conoce su composición: en su interior vemos un núcleo y una nube electrónica que ocupa toda la extensión espacial del átomo, ya que es aproximadamente 100.000 veces más grande que su núcleo. Aún más asombroso, conocemos, en orden de magnitud, el número de átomos en el universo observable: se estima en unos 10⁸⁰, es decir, un 1 seguido de 80 ceros, valor obtenido combinando el número estimado de estrellas (unas 10²³) y su masa media convertida en un número equivalente de átomos de hidrógeno.

La estabilidad de los átomos

La paradoja de la física clásica

La estabilidad del átomo no se explica por la física clásica, porque en la física clásica, el electrón corpuscular con carga negativa y el protón con carga positiva plantean una paradoja.

En la física clásica, la materia debería desaparecer, aniquilarse, porque un electrón que irradia alrededor de un núcleo pierde energía (teoría de Maxwell) y, por tanto, debería caer sobre el núcleo. Esto significa que la estabilidad de un átomo es incomprensible en el marco de la teoría clásica.

La solución de la mecánica cuántica

Los genios científicos del siglo XX resolvieron esta paradoja en 1924, gracias a la mecánica ondulatoria de Louis de Broglie (1892-1987), generalizada en 1926 por Erwin Schrödinger (1887-1961), premio Nobel de Física en 1933 junto con Paul Dirac (1902-1984), por la ecuación de onda llamada ecuación de Schrödinger.

En mecánica cuántica, no es posible conocer exactamente el valor de un parámetro sin medirlo. La teoría matemática describe un estado no por un par velocidad-posición preciso, sino por una función de onda (vector de estado), que permite calcular la probabilidad de encontrar la partícula en un punto. De ahí el carácter probabilístico de la mecánica cuántica, que predice que las partículas también son ondas y no solo puntos materiales.

Orbitales y enlaces químicos

Los electrones ocupan orbitales atómicos en interacción con el núcleo a través de la fuerza electromagnética, mientras que los nucleones se mantienen unidos dentro del núcleo mediante el enlace nuclear.

La nube electrónica está estratificada en niveles de energía cuantificados alrededor del núcleo, definiendo capas y subcapas electrónicas. Los nucleones también se distribuyen en capas nucleares, aunque un modelo bastante cómodo populariza la estructura nuclear basada en el modelo de la gota líquida.

Varios átomos pueden establecer enlaces químicos entre sí 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 de su núcleo. Este número, llamado número atómico, define un elemento químico.

Átomos de oro visibles

Observación de átomos de oro mediante microscopio de efecto túnel

En el límite de la materia, la superficie de una lámina de oro puro (Au 100) se detalla aquí con un microscopio de efecto túnel. Los átomos de oro visibles en esta imagen están regularmente espaciados sobre la estructura cristalina del oro. Esta imagen atómica se obtuvo con un STM Omicron de baja temperatura por Erwin Rossen, Eindhoven University of Technology, en 2006.

Imagen del átomo de oro puro visto por microscopio de efecto túnel — Átomos de oro vistos por microscopio de efecto túnel (STM): Imagen de una **superficie de oro** Au(100) resuelta a escala atómica (2006). Las bandas regulares visibles en la imagen ilustran la **reconstrucción superficial « casi-hexagonal »** característica de esta cara del cristal de oro: la capa atómica superior, más densa, se reordena en un patrón hexagonal ligeramente comprimido sobre la red cúbica subyacente, produciendo estas filas de átomos con un ligero desplazamiento.
Fuente de la imagen: Erwin Rossen (nueva ventana), Eindhoven University of Technology, 2006 — dominio público.

La hazaña histórica de IBM: escribir con átomos

Ver átomos es una cosa; moverlos uno a uno es otra. Esto es lo que demostraron los físicos Donald Eigler y Erhard Schweizer del centro de investigación IBM Almaden en California en noviembre de 1989. Utilizando la punta de un microscopio de efecto túnel como una pinza atómica, movieron uno a uno 35 átomos de xenón sobre una superficie de níquel enfriada a 4 kelvin (es decir, -269 °C) para formar las tres letras "IBM". La operación, minuciosa, duró unas 22 horas. El logotipo obtenido medía solo 5 nanómetros de alto por 17 nanómetros de ancho, unas 500.000 veces más pequeño que las letras impresas ordinarias. Publicada en 1990 en la revista Nature, esta imagen se ha convertido en emblemática del nacimiento de la nanociencia: demostraba que el microscopio de efecto túnel no solo servía para observar átomos, sino también para manipularlos y construir, literalmente, con la materia más elemental que existe. Esta técnica de manipulación átomo por átomo sigue siendo hoy una herramienta de laboratorio más que un proceso de fabricación industrial, ya que las condiciones requeridas (vacío alto, temperatura cercana al cero absoluto) son demasiado restrictivas para la producción en masa.

Más allá del STM: microscopía de fuerza atómica y avances recientes

El microscopio de efecto túnel (STM) tiene una limitación: requiere una superficie conductora, porque mide una corriente de electrones que "tunelizan" entre la punta y la muestra. Para estudiar materiales aislantes o moléculas individuales, los investigadores utilizan una técnica complementaria desarrollada en 1986: la microscopía de fuerza atómica (AFM), que mide no una corriente sino la fuerza de interacción entre una punta ultrafina y los átomos de la superficie, lo que permite sondear prácticamente cualquier material.

Desde mediados de la década de 2010, estas técnicas han dado un salto adelante. En 2023, un equipo de investigación utilizó la AFM para observar directamente la firma de orbitales electrónicos de átomos metálicos individuales en moléculas orgánicas, una hazaña que confirma, a escala de un solo átomo, las formas predichas durante un siglo por la ecuación de Schrödinger. Ese mismo año, otro equipo desarrolló una técnica basada en la microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) capaz de cartografiar la densidad electrónica a escala atómica en materiales bidimensionales. Estas mediciones siguen siendo indirectas (no "fotografiamos" un electrón como un objeto ordinario), pero acercan cada año un poco más la física cuántica teórica a la observación directa.

Tamaño de los átomos

Radios atómicos de los elementos

Radio atómico teórico (calculado) de algunos átomos (el tamaño se da en picómetros (10^-12 metros). El radio atómico es la mitad de la distancia que separa los núcleos de dos átomos contiguos. Los valores indicados en esta tabla son solo orientativos.

Tamaño teórico de los átomos en picómetros (pm)
(1 pm = 10^-12 metro)
Elemento	Tamaño	Elemento	Tamaño	Elemento	Tamaño	Elemento	Tamaño
H Hidrógeno : número de electrones por nivel de energía 1	53	Ca Calcio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 8, 2	194	Y Ytrio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 9, 2	212	Hf Hafnio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 10, 2	208
He Helio : número de electrones por nivel de energía 2	31	Sc Escandio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 9, 2	184	Zr Zirconio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 10, 2	206	Ta Tántalo : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 11, 2	200
Li Litio : número de electrones por nivel de energía 2, 1	167	Ti Titanio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 10, 2	176	Nb Niobio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 12, 1	198	W Tungsteno : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 12, 2	193
Be Berilio : número de electrones por nivel de energía 2, 2	112	V Vanadio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 11, 2	171	Mo Molibdeno : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 13, 1	190	Re Renio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 13, 2	188
B Boro : número de electrones por nivel de energía 2, 2	87	Cr Cromo : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 13, 1	166	Tc Tecnecio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 13, 2	183	Os Osmio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 14, 2	185
C Carbono : número de electrones por nivel de energía 2, 4	67	Mn Manganeso : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 13, 2	161	Ru Rutenio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 15, 1	178	Ir Iridio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 15, 2	180
N Nitrógeno : número de electrones por nivel de energía 2, 5	56	Fe Hierro : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 14, 2	156	Rh Rodio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 16, 1	173	Pt Platino : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 17, 1	177
O Oxígeno : número de electrones por nivel de energía 2, 6	48	Co Cobalto : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 15, 2	152	Pd Paladio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18	169	Au Oro : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 18, 1	174
F Flúor : número de electrones por nivel de energía 2, 7	42	Ni Níquel : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 16, 2 o 2, 8, 17, 1	149	Ag Plata : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 1	165	Hg Mercurio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 18, 2	171
Ne Neón : número de electrones por nivel de energía 2, 8	38	Cu Cobre : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 1	145	Cd Cadmio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 2	161	Tl Talio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 18, 3	156
Na Sodio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 1	190	Zn Zinc : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 2	142	In Indio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 3	156	Pb Plomo : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 18, 4	154
Mg Magnesio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 2	145	Ga Galio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 3	136	Sn Estaño : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 4	145	Bi Bismuto : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 18, 5	143
Al Aluminio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 3	118	Ge Germanio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 4	125	Sb Antimonio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 5	133	Po Polonio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 18, 6	135
Si Silicio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 4	111	As Arsénico : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 5	114	Te Telurio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 6	123	At Ástato : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 18, 7	127
P Fósforo : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 5	98	Se Selenio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 6	103	I Yodo : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 7	115	Rn Radón : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 18, 8	120
S Azufre : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 6	88	Br Bromo : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 7	94	Xe Xenón : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 8	108
Cl Cloro : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 7	79	Kr Criptón : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 8	88	Cs Cesio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 8, 1	298
Ar Argón : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 8	71	Rb Rubidio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 8, 1	265	Ba Bario : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 18, 8, 2	253
K Potasio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 8, 1	243	Sr Estroncio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 8, 2	219	Lu Lutecio : número de electrones por nivel de energía 2, 8, 18, 32, 9, 2	217

Referencias

FAQ: Todo sobre los átomos

¿Qué es un átomo?

Un átomo es la unidad más pequeña de materia que conserva las propiedades de un elemento químico. Está formado por un núcleo central, compuesto por protones y neutrones, alrededor del cual orbitan electrones. El núcleo es denso y está cargado positivamente, mientras que los electrones, con carga negativa, ocupan una nube electrónica mucho más extensa. El tamaño típico de un átomo es del orden de una décima de nanómetro (10^-10 m).

¿Cuál es el tamaño de un átomo?

El radio atómico teórico varía según el elemento. Generalmente se sitúa entre 31 picómetros (pm) para el helio, el átomo más pequeño, y unos 298 pm para el cesio, el átomo natural más grande. El radio atómico se define como la mitad de la distancia entre los núcleos de dos átomos idénticos enlazados. Estos valores dependen del método de medición (teórico, covalente, metálico, etc.) y del entorno químico. A modo de comparación, un átomo es aproximadamente 100.000 veces más pequeño que un cabello humano.

¿Cómo se mantienen unidos los átomos?

Dentro de un átomo, los electrones son atraídos por el núcleo mediante la fuerza electromagnética, que los mantiene en órbita. En el interior del núcleo, los protones y neutrones están unidos por la fuerza nuclear fuerte, mucho más potente que la repulsión eléctrica entre protones. Entre átomos, se forman enlaces químicos (covalentes, iónicos o metálicos) mediante el intercambio o compartición de electrones, lo que permite construir moléculas y cristales.

¿Por qué son estables los átomos?

La estabilidad atómica es una consecuencia de la mecánica cuántica. Según la teoría clásica, un electrón en órbita debería irradiar energía y caer sobre el núcleo. Pero la naturaleza ondulatoria del electrón y la cuantificación de los niveles de energía imponen que el electrón solo pueda ocupar estados discretos, sin pérdida de energía. El estado fundamental es el más estable, y el átomo no puede colapsar porque el electrón está descrito por una función de onda que lo distribuye en una nube de probabilidad.

¿Se pueden ver los átomos?

Sí, gracias a instrumentos como el microscopio de efecto túnel (STM) y el microscopio de fuerza atómica (AFM). Estos dispositivos no funcionan como microscopios ópticos, sino que utilizan una punta muy fina que barre la superficie y mide las interacciones con los átomos. Las imágenes obtenidas, como la del oro que se muestra en el artículo, muestran filas regulares de átomos resueltos individualmente. Ya en 1990, IBM fue aún más lejos al mover átomos uno a uno para formar patrones. Estas tecnologías han revolucionado la nanociencia.

¿Cuántos átomos hay en el universo?

El número total de átomos en el universo observable se estima en unos 10⁸⁰ (un 1 seguido de 80 ceros). Este valor se obtiene multiplicando el número estimado de estrellas (alrededor de 10²³) por su masa media, convertida a la de los átomos de hidrógeno. Es un número colosal, pero el universo está esencialmente vacío, y la materia ordinaria (átomos) representa solo una fracción ínfima de su contenido total, siendo la mayor parte materia oscura y energía oscura.