¿Cómo podemos confirmar experimentalmente que los átomos/moléculas de un sólido realmente "se mueven"?

Question

Los átomos de un sólido se atraen tanto entre sí que "vibran" y no pasan de largo.

¿Cómo "miden" los científicos esa vibración atómica en un sólido (digamos a temperatura ambiente)?

Como persona cruda e inculta, me resulta fácil llegar a la conclusión de que el sólido está completamente en reposo y ninguna parte de él se está "moviendo". Entonces, ¿cuál es la prueba experimental que demuestra que mi conclusión es totalmente errónea y que los diminutos átomos invisibles se están "moviendo"?

En el caso del movimiento browniano, es algo más fácil (más intuitivo y de sentido común) suponer que los átomos invisibles se "mueven" y, por tanto, "golpean" a las partículas coloidales. Sin embargo, respecto a un sólido... No puedo ni imaginar cómo puedo detectar esas "vibraciones" atómicas porque no puedo verlas ni sentirlas.

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Answer 1

El movimiento de los átomos puede estudiarse mediante diversas técnicas basadas en dispersión de neutrones . A diferencia de la dispersión de rayos X, en la que éstos se reflejan en las nubes electrónicas que rodean a los átomos, los neutrones se dispersan principalmente por los núcleos. Las versiones resueltas en el tiempo de la dispersión de neutrones (como el eco de espín) permiten observar cómo se produce el desplazamiento de los átomos en el tiempo.

El movimiento colectivo de los átomos, como, por ejemplo, las vibraciones de los cristales (fonones), también puede estudiarse mediante espectroscopia infrarroja o Dispersión Brillouin (similar a la dispersión Raman, pero con absorción/emisión de fonones).

Por último, hoy en día es posible observar los átomos con un microscopio electrónico o de fuerza atómica (aunque se "sacuden" demasiado rápido para verlos moverse en tiempo real).

Answer 2

Hablamos de "sacudir átomos" porque el oscilador armónico clásico explica cómo los sólidos almacenan calor a altas temperaturas . Para reforzar el argumento, el oscilador mecánico cuántico explica por qué la capacidad calorífica se reduce a bajas temperaturas, ya que la energía entre el estado básico y el primer estado excitado del oscilador se hace grande en relación con la energía térmica disponible.

La afirmación de la ciencia popular de que los átomos de un sólido "siempre se mueven" está relacionada con el resultado de que un oscilador armónico cuántico tiene una energía distinta de cero. $\frac12\hbar\omega$ en su estado básico. Después de todo, puede que no sea una prueba muy convincente del movimiento armónico atómico, muchas cosas son útiles aproximados como osciladores armónicos . Sin embargo, un colectivo La excitación de los osciladores de un material se conoce como "fonón". El nombre sugiere intencionadamente que un fonón es un "cuanto de sonido" de forma análoga al fotón, el cuanto de luz. Hay varias conexiones entre los fonones "incoherentes" que describen la transferencia de calor dentro de un material y los fonones "coherentes" que describen la propagación del sonido. Tenemos excelentes razones para pensar en el sonido como vibraciones macroscópicas en un material.

Answer 3

Para mí, el hecho más destacado que se desprende del "meneo" molecular es simplemente radiación térmica . Tiene la ventaja de ser relativamente fácil de observar (mediante imágenes térmicas a temperatura ambiente, y sólo con los ojos a temperaturas al rojo vivo y superiores), pero supongo que considerarlo una prueba convincente de la oscilación molecular depende de lo cómodo que se esté con el hecho de que las cargas aceleradoras produzcan radiación.

Answer 4

Otra forma es observar la eficiencia cuántica de los sensores fotoeléctricos utilizando brecha de banda indirecta materiales como el silicio. En estos materiales, un fotón de longitud de onda larga necesita la ayuda de un fonón (vibración de la red) para producir un par electrón-hueco. Como consecuencia, el sensor eficiencia cuántica varía con la temperatura.