¿Es posible que exista un átomo macroscópico?

Answer 1

Sí, es posible hacer un átomo macroscópico! Lo que obtienes cuando haces esto se llama un ‘átomo de Rydberg’. En tal átomo, los electrones excitados que rodean el núcleo atómico están casi en el umbral de dejar el núcleo por completo. Tendrás que mirar hacia el cielo, hacia una nebulosa como esta, para ver un átomo de Rydberg. Las nebulosas están llenas de átomos de hidrógeno, y el brillo rojo proviene de estados excitados de hidrógeno. Algunos de estos átomos probablemente se manifiestan como átomos de Rydberg.

Por ejemplo, el átomo de hidrógeno en su estado fundamental tiene un radio de solo 37 picómetros, pero se han detectado formas “super-excitadas” de este átomo en el medio interestelar. Algunos de estos átomos tienen un radio de 0.339 milímetros, lo suficientemente grande como para ser visto a simple vista. El medio interestelar, que se encuentra dentro de las nebulosas y entre las estrellas, es de muy baja densidad y mantiene con vida durante mucho tiempo los estados excitados de los átomos y las moléculas, lo suficiente como para permitir que estas especies, por lo demás, inestables se observen espectroscópicamente.

Para comprender por qué existen los átomos de Rydberg, debemos observar el diagrama de energía orbital atómica de un átomo. Usemos el de litio como ejemplo (abajo).
Mire la parte superior del diagrama … donde se agrupan todos los orbitales atómicos de alta energía. Para el hidrógeno, los grupos individuales de orbitales atómicos están en la misma energía (degenerada), pero para los átomos más pesados, son diferentes. Para hacer un átomo gigante, tienes que seguir suministrando a los electrones del átomo mucha energía, pero no tanto como para que el átomo se ionice. Básicamente, tienes que mantenerte por debajo de la primera energía de ionización al proporcionar energía a los electrones del átomo. Con el hidrógeno como ejemplo, ese valor umbral es de 1312 kilojulios por mol de átomos de hidrógeno. Necesitaría que el electrón permanezca en un orbital atómico de muy alta energía, con un número cuántico muy alto. Dicho orbital atómico tendrá características de un átomo de Rydberg, como un tamaño grande (en el orden de nanómetros o mayor) y un comportamiento ligeramente alterado hacia el núcleo. Estos estados de Rydberg están justo al lado del potencial de ionización, la línea discontinua en el diagrama orbital. Para obtener un átomo de Rydberg realmente grande del hidrógeno, le gustaría dar un poco menos de 1312 kJ / mol de energía al electrón que orbita el átomo de hidrógeno, y mantener vivo el conjunto de átomos excitados en un entorno de baja densidad, donde no se van a encontrar con otros átomos o moléculas que puedan reaccionar con ellos.

Cuando los electrones se mantienen en niveles de energía lejanos, comienzan a sentirse como si estuvieran orbitando un núcleo hidrogenado (como si el núcleo atómico fuera solo un protón, el del hidrógeno), y sus funciones de onda tienen cientos de nodos radiales, como visto con este diagrama de un átomo en un estado de Rydberg (abajo).

¿Ver todos esos nodos en el orbital atómico Rydberg? ¡Son los nodos radiales, y algunos estados de Rydberg que se han observado a través de la espectroscopía pueden tener hasta 252 nodos! En este estado, el electrón está literalmente en la valla para dejar el núcleo del átomo o quedarse con él. Los átomos de Rydberg no son particularmente estables en las condiciones diarias, por lo que deben generarse en condiciones de baja densidad, como el espacio exterior o las instalaciones de laboratorio.

¡También es posible crear estados Rydberg a partir de moléculas! Rubidio se ha utilizado para producir moléculas de Rydberg, y tienen un alto número de nodos radiales. Esta vez, la inclusión del momento angular cambia la apariencia de un estado de Rydberg para las moléculas de rubidio-rubidio, como se ve aquí:
En esta molécula Rb2, el estado de Rydberg muestra muchos nodos radiales, junto con el momento angular asociado con la hibridación orbital. Es bastante fácil ver el perfil de un animal antiguo, el trilobite, en el estado de Rydberg. Se han producido estados de Rydberg similares a partir de otras moléculas, y se pueden modelar con la teoría cuántica.
En este diagrama, se muestra la función de onda de un estado de molécula de Rydberg. Con el gran número de nodos presentes en este estado altamente excitado, el electrón está lejos de los núcleos de la molécula. La densidad de probabilidad es baja en el medio del orbital molecular, pero alta cerca del núcleo y las porciones más alejadas del orbital. Es, como los átomos de Rydberg, es inestable en condiciones normales, pero puede sobrevivir en condiciones de laboratorio o en el espacio exterior. Tanto los átomos como las moléculas de Rydberg pueden acercarse a los tamaños macroscópicos, pero son difíciles de observar durante el momento en que se producen.

Answer 2

Dudo mucho que crear un átomo tan grande sea posible. Algo que existe para los nanosegundos es unonheptium. Eso es 117 protones.

Viendo esto desde una perspectiva física, lo positivo repele a lo positivo, que es lo que está sucediendo en el núcleo. Es la fuerza nuclear fuerte que mantiene eso unido. Cuando el átomo gana más y más protones, la fuerza interna sube a una velocidad constante o exponencial (no recuerdo cuál), donde, cuando se expande la fuerza nuclear fuerte, aquí es donde termina mi conocimiento. Hay dos posibles senarios, la fuerza nuclear fuerte se hace más grande, o la fuerza permanece igual y se vuelve constante, no lo sé.

Continuando con la idea de que es constante, habrá un punto definido en el que la fuerza dentro del átomo vence a la fuerza nuclear fuerte. En este punto, ya no pueden entrar más protones.

Continuando con mi segunda idea, la fuerza nuclear se expande, pero debe ser a un ritmo más lento que en lo que sucede cuando se agregan protones, haciendo suposiciones lógicas sabiendo lo que sé sobre la fusión dentro de una estrella. Esto, una vez más, alcanzará un punto donde el átomo, no importa cuán inestable, no puede aceptar más protones.

Luego está la mecánica cuántica, que simplemente dice que algo así es posible. Dado que la mecánica cuántica está dictada por la probabilidad, casi ninguna pregunta es un sí o un no. Puede haber una pequeña posibilidad de que su idea funcione. Pero como este es un objeto macroscópico, las leyes de la mecánica cuántica simplemente se rompen. Por lo tanto, la mecánica cuántica no puede siquiera admitir la afirmación de que puede existir un átomo macroscópico.

Esta es una gran pregunta, realmente me empujó a los alcances más lejanos de lo que sé sobre este campo. Mantener curiosidad 🙂

PD: todavía tengo 15 años, así que si un tipo con un doctorado viene y me dice que no tengo pruebas, confiaría en ese tipo más que yo. 🙂

Answer 3

Solo por el bien de la discusión, suponga que podría hacer un núcleo estable con una carga positiva lo suficientemente grande como para soportar miles de electrones. Pero luego los orbitales de electrones internos se reducirán y aumentarán en energía hasta que se vuelvan altamente relativistas, y comenzarán a ser absorbidos por el núcleo, causando que se desestabilice de todos modos.

Answer 4

Los átomos se mantienen unidos por la fuerza fuerte. El rango de esa fuerza está estrictamente limitado. Los átomos más grandes que los que tienen alrededor de 80 protones están en ese límite de ese rango. Y más grande que alrededor de 90 protones, la fuerza fuerte no puede mantener todos los protones y neutrones juntos de manera consistente, y para núcleos de tamaños más grandes, el efecto es peor.

Answer 5

Bueno, no una conjetura educada sino una observación. Las cosas mágicas del hombre de hierro de las que se fabricó el Generador de Arco de la Segunda Generación provinieron de la segunda Isla de Estabilidad en el tamaño 164 del elemento de tamaño de ciencia ficción. Pero incluso esos supuestos supuestos mágicos no se acercarían a 1 cm.

Answer 6

Claro que es posible. De hecho, pueden ser enormes en términos de masa! ¿Que quiero decir? ¡Las estrellas de neutrones son ciertamente enormes, enormes átomos!