Esta es la primera radiografía tomada de un solo átomo

Las imágenes a escala atómica surgieron a mediados de la década de 1950 y han avanzado rápidamente desde entonces, tanto que en 2008, los físicos utilizaron con éxito un microscopio electrónico para obtener imágenes de un solo átomo de hidrógeno. Cinco años más tarde, los científicos pudieron mirar dentro de un átomo de hidrógeno utilizando un «microscopio cuántico», lo que resultó en la primera observación directa de los orbitales de electrones. Y ahora tenemos la primera radiografía tomada de un solo átomo, cortesía de científicos de la Universidad de Ohio, el Laboratorio Nacional de Argonne y la Universidad de Illinois-Chicago, según un nuevo artículo publicado en la revista Nature.

«Los átomos se pueden visualizar de forma rutinaria con microscopios de sonda de barrido, pero sin rayos X no se puede decir de qué están hechos», dijo el coautor Saw-Wai Hla, físico de la Universidad de Ohio y el Laboratorio Nacional de Argonne. «Ahora podemos detectar exactamente el tipo de un átomo en particular, un átomo a la vez, y puede medir simultáneamente su estado químico. Una vez que podamos hacer eso, podemos rastrear los materiales hasta [the] límite último de un solo átomo. Esto tendrá un gran impacto en las ciencias ambientales y médicas”.

Cuando el no científico promedio piensa en un átomo, lo más probable es que visualice alguna versión popularizada del clásico y muy difamado modelo del átomo de Bohr. Ese es aquel en el que los electrones se mueven alrededor del núcleo atómico en órbitas circulares, como los planetas que orbitan alrededor del Sol en nuestro Sistema Solar. Las órbitas tienen energías discretas establecidas, y esas energías están relacionadas con el tamaño de una órbita: la energía más baja, o «estado fundamental», está asociada con la órbita más pequeña. Cada vez que un electrón cambia de velocidad o dirección (según el modelo de Bohr), emite radiación en las frecuencias específicas asociadas con orbitales particulares.

El modelo ha sido reemplazado desde que Niels Bohr lo propuso por primera vez en 1913, a medida que avanzaba nuestra comprensión del mundo cuántico. Erwin Schroedinger propuso un nuevo modelo atómico que prescindía de las órbitas en favor de los niveles de energía. Todavía comparte algunos conceptos similares con el modelo de Bohr. Por ejemplo, si un átomo se calienta (es decir, se energiza), sus electrones se mueven a niveles más altos. A medida que se enfrían y vuelven a su estado fundamental normal, el exceso de energía tiene que ir a alguna parte, por lo que se emite como fotones. Y esos fotones poseen frecuencias que coinciden con el cambio en los niveles de energía.

Técnicamente, los electrones realmente no se “mueven” alrededor del núcleo en órbitas. Los electrones son realmente ondas, aparecen como partículas cuando realizas un experimento para determinar la posición, y esas ondas son estacionarias. Puedes verificar dónde está un electrón, pero cada vez que lo hagas, aparecerá en una posición diferente, no porque se esté moviendo sino por la superposición de estados. El electrón no tiene una posición fija hasta que lo miras, y la función de onda colapsa. Dicho esto, si realiza muchas mediciones individuales y traza las posiciones del electrón para cada una, eventualmente obtendrá un patrón de nube fantasmal similar a una órbita que está mucho más cerca de cómo «se ve» un átomo individual.