Tamaño de los átomos

Ver un átomo de alrededor de 1 angstrom

Del griego átomos "indivisible", el átomo es la más pequeña partícula de un elemento químico, que se compone en 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.
Estas son las interacciones electrón-electrón debido a sus propiedades cuánticas increíbles que dan lugar a la gran diversidad de los elementos que encontramos en la naturaleza. La organización de los elementos de la naturaleza está representado por la tabla periódica de los elementos o tabla de Mendeléyev que clasifica todos los elementos químicos naturales y artificiales ordenados por número atómico (número de protones) creciendo y organizados en función de su configuración electrónica.
El mundo de los electrones pertenece al mundo cuántico de los átomos, es decir, el mundo microscópico. Entre el átomo del mundo microscópico y el mundo macroscópico, hay un gran número de magnitudes. En 1 gramo de material, tal como carbono 12 hay ≈10²² átomos.
Sabemos el tamaño aproximado de átomos desde 1811, Amedeo Avogadro (1776-1856) estimó su tamaño a 1 angstrom, es decir, 10^-10 m y un siglo más tarde, en 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) precisa la estructura del átomo y da un tamaño al núcleo atómico del orden de 10^-14 metros. Se puede decir que los átomos están separados unos de otros, de unos pocos angstroms.
Pero desde el advenimiento de la mecánica cuántica en la década de 1920, no representamos el electrón como un objeto que gira en una órbita muy regular alrededor del núcleo, como en el modelo planetario. Ahora sabemos que el movimiento de un electrón es bastante diferente del movimiento planetario. En la mecánica cuántica, el electrón no sigue un solo camino, se sitúa aquí y allí, en una región alrededor del núcleo que se llama la nube electrónica o orbital atómico.
Los orbitales del electrón pueden adoptar diversas formas características dependiendo de la naturaleza del átomo, por ejemplo el orbital del átomo de hidrógeno tiene una forma esférica, el orbital del átomo de oxígeno en la forma de dos gotas de agua, el orbital del átomo de hierro tiene la forma de cuatro gotas de agua. Esta forma del orbital atómico define el tamaño del átomo.
Así, el diámetro de la nube electrónica alrededor del núcleo, es decir, el diámetro de todo el átomo es del orden de 0,1 nanómetro o una diez mil millonésima parte de un metro. Un átomo es tan pequeño que se podría alinear 10 millones de átomos en un milímetro. Sin embargo, la nube electrónica de un átomo no tiene una dimensión bien definida debido a que es una superposición de orbitales atómicos probabilísticos (varían). Por lo tanto, no existe una definición única, ninguna medida precisa del tamaño de los átomos, porque la forma de esta región del espacio depende de la energía del electrón atómico y del momento cinético.

Pero para hacerse una idea del tamaño del átomo, los científicos han definido un radio atómico teórico. Un radio atómico teórico es la mitad de la distancia media entre núcleos de átomos unidos entre ellos. Aunque esta distancia varía dependiendo de las propiedades del átomo, se puede calcular para cada núcleo, el tamaño de los orbitales atómicos (ver tabla). El tamaño de los átomos aumenta en función del número de electrones o más bien según la ocupación de los orbitales atómicos de los electrones de la capa externa, que está mucho menos ligada al núcleo que las capas internas.
Más hay capas (niveles de energía cuántica) en el átomo y más la capa exterior se extiende, es decir, la superposición de los orbitales atómicos aumenta el tamaño de los átomos, porque la capa exterior es cada vez menos relacionado con el núcleo y por lo tanto, más libre. Sin embargo, más hay electrones en las capas internas y más la atracción del núcleo atómico se incrementa debido a que hay más y más protones y por lo tanto, cargas positivas. Esta propiedad (número de protones) limita la extensión espacial de los orbitales atómicos cargadas negativamente (cargas negativas de los electrones), aproximando los, del núcleo.

Tabla : Radio atómico teórico (calculado) de ciertos átomos, el tamaño se da en picómetros (10-12 metros). El radio atómico es la mitad de la distancia entre los núcleos de dos átomos adyacentes. Los valores de esta tabla son sólo indicativos.

Imagen: Desde los años 1990 mediante microscopio de efecto túnel es posible ver y manipular los átomos individualmente en la superficie de un material. Esto permite realizar pequeñas estructuras atómicas que son la base de la nanotecnología. Para hacer este tipo de imagen, la punta muy fina del microscopio de efecto túnel escanea la superficie del material a unos pocos nanómetros de altura, emitiendo un voltaje constante. Pasando por encima de los orbitales atómicos, es capaz de registrar variaciones ínfimas de la corriente túnel que fluirá a la superficie. En la superficie del material, un pequeño flujo de electrones capaces de atravesar la barrera de potencial "efecto túnel", un fenómeno bien conocido de la mecánica cuántica. Esta corriente eléctrica se mide por el microscopio de efecto túnel y la punta reproduce fielmente la topografía de la superficie con una resolución del orden de 0,1 nanómetro o uno angstrom, es decir, el tamaño del átomo. Así podemos ver hoy, el mundo cuántico misterioso en el que todas las partículas de la materia evolucionan y representar-se la estructura cristalina de los elementos químicos en lo infinitamente pequeño. crédito de la Imagen: STM Image Gallery Blue Nickel.

La más pequeña película en el mundo

Desde los años 1990 a través de microscopio de efecto túnel es posible ver y manipular los átomos individuales en la superficie de un material.
Esta película fue hecha por IBM, con átomos de hierro en una placa de cobre, esta es la pequeña película en el mundo.
En este nano película cada punto de luz es un átomo, que ocupa 12 píxeles en la pantalla. Las pequeñas olas que crean oscilaciones alrededor de los puntos brillantes no son un defecto de la película, pero las ondas de electrones. Estas oscilaciones de Friedel no son una rareza, pero traicionan la naturaleza cuántica de los átomos, ambas partículas y ondas. La forma de estas oscilaciones de electrones es un verdadero ID por los electrones.
Esta película en la escala nanométrica, que mide 52 por 32 átomos de hierro, es decir ≈8 nanómetros en ≈5 nanómetros. En una longitud de 1 mm podría alinear 10 000 películas de este tamaño.
Cada imagen se produce con la punta de un microscopio de efecto túnel, a unos pocos grados de cero absoluto, este es también la película más fría del mundo.

N.B.: Jacques Friedel (1921 - 2014) fue un físico francés, profesor emérito de la Universidad Paris Sud Orsay, especialista en teoría física del estado sólido. Fue presidente de la Academia de Ciencias para el periodo 1993-1994.