Le domande se puoi detect luce emessa da un atomo (isolato) e se puoi resolve un atomo dai suoi vicini sono completamente indipendenti.

La spaziatura tra i diversi atomi in un materiale regolare rimane impossibile da risolvere utilizzando la luce visibile, la cui lunghezza d'onda è diverse migliaia di volte più grande. Puoi "vedere" i singoli atomi usando altre tecniche di microscopia (quindi guarda ad esempio questo cortometraggio per un bell'esempio), ma questi utilizzano strumentazione e post-elaborazione piuttosto elaborate e non riflettono ciò che è visibile ad occhio nudo.

L'immagine che stai citando, tuttavia, non rappresenta un atomo su molti in un materiale. Invece, è davvero un singolo atomo isolato, tenuto nel vuoto da una serie di "pinzette" elettriche chiamate trappola ionica (a sua volta prodotta dagli elettrodi metallici che circondano l'atomo, che saranno una coppia di centimetri di diametro), e che emette luce tramite fluorescenza (cioè viene eccitato da un laser e riemette quella luce). La dimensione dell'atomo come appare nell'immagine non ha nulla a che fare con la sua dimensione effettiva: per quanto riguarda la fotocamera, l'atomo è una sorgente puntiforme e la diffusione diversa da zero nell'immagine è causata dalla risoluzione finita del fotocamera.

Quindi, supponendo che l'atomo intrappolato sia abbastanza luminoso, in linea di principio potrebbe essere visto ad occhio nudo, nel qual caso assomiglierebbe molto a una stella in una notte limpida e tranquilla (che sono anche sorgenti puntiformi per quanto i nostri occhi sono preoccupati, anche se il loro aspetto viene poi cambiato da scintillio). Se le configurazioni sperimentali nell'uso effettivo siano sufficienti per produrre atomi sufficientemente luminosi da poter essere visti ad occhio nudo è una buona domanda; la mia comprensione è che questo non è del tutto possibile, ma che con uno sfondo completamente scuro non è poi così fuori portata.

Ciò significa che un essere umano non sarebbe in grado di vedere contemporaneamente sia l'atomo stesso che gli elettrodi della trappola, poiché è necessario uno sfondo completamente scuro per iniziare ad avere la possibilità di vedere l'atomo. Per quanto riguarda la fotocamera, l'autore ha chiarito in un commento che si tratta di una singola esposizione di trenta secondi, con gli elettrodi illuminati da un flash della fotocamera a metà esposizione.

Infine, per rispondere alla tua domanda espansa,

Se quel singolo atomo è trattenuto da un campo, perché gli atomi di quel campo stesso non sono visibili?

la risposta è che il campo che lo sostiene non è fatto affatto di atomi. L'atomo nell'immagine è tenuto in posizione da forze elettrostatiche, che sono le stesse forze che usi per tirare su pezzetti di carta con un palloncino che hai strofinato contro i tuoi capelli. Si dice che le forze elettrostatiche, come le forze magnetiche e la gravità, formino un campo, ma è un campo di forza che è tutto forza e non atomi. L'effetto qui è analogo alla levitazione magnetica, tranne per il fatto che utilizzi campi elettrici (quelli progettati con cura, prodotti dagli elettrodi metallici che circondano l'atomo nell'immagine) invece dei magneti.

Per essere onesti, questo è effettivamente spiegato nel tuo link.Per dirla semplicemente,

Se la illumini con la giusta luce, inizia a brillare così intensamente che una buona fotocamera può rilevarla.

Per farlo funzionare, l'atomo deve essere il più immobile possibile.Ciò si ottiene "congelandolo" e utilizzando magneti per tenerlo fermo.

Primo piano per completezza:

Anche se la fisica è già stata trattata in altre risposte, lascia che ti dia un'idea su come spiegare la differenza tra rilevamento e risoluzione a un bambino di 4 anni:

Prova un'analogia. Qualcosa che non puoi risolvere individualmente ma che vedi abbastanza facilmente. La prima cosa che mi viene in mente sono le luci a distanza. Un mucchio di LED a distanza potrebbe farlo, lo schermo del tuo computer / TV, uno di quei grandi schermi che puoi trovare sugli edifici, le finestre illuminate (o buie) di una casa lontana, lettere su un pezzo di carta e probabilmente un molte cose a cui non riesco a pensare ora.

Il principio rimane lo stesso: scegli le giuste condizioni di illuminazione e la giusta distanza ed è facile vedere se un singolo "pixel" è illuminato o meno. Ma sai distinguere tra uno o due pixel? Riesci a contare i pixel se tutti sono accesi (lo schermo di un computer è probabilmente perfetto per questo)? Puoi dire dove finisce un pixel e dove inizia un altro?

Ok, l'analogia non spiega i limiti di risoluzione, ma penso che con un bambino di 4 anni puoi avere una sensazione abbastanza buona per la differenza tra rilevamento e risoluzione e per "se guardo più da vicino, vedo più dettagli - ma forse non riesco a guardare abbastanza da vicino senza un grande sforzo ".

Quando ho appena spiegato ai miei 8 anni cosa sono gli atomi (si è scoperto che lei già sapeva, sembra che gli venga insegnato quel piccolo frammento di informazioni a scuola in questi giorni prima di quell'età, comunque), ho semplicemente preso il buon vecchio approccio greco - immagina di prendere un pezzo di torta, dividerlo in due ecc. ecc. Ho scoperto che un 8 anni è in grado di capire il concetto che a un certo punto non puoi più dividere "cose". Mi sono fermato qui perché a) non ha ancora bisogno di sapere di protoni, elettroni o anche quark eb) l'immagine dei vecchi filosofi è ancora vera. Dividere la materia a livello macro (atomi) in questo modo fino a raggiungere il livello atomare (o molecolare) è fondamentalmente diverso da quello in corso e la divisione ulteriore degli atomi nei loro costituenti.

Per un 4 anni, devi semplificarlo molto. Usa solo la scala. Mostra loro un piccolo granello di sabbia che riesci a malapena a vedere con l'occhio. Quindi metti quel granello di sabbia su un tavolo e vai via con tuo figlio. Fai notare come ora non possa più vederlo. Questo dovrebbe darle un'idea che è importante quanto sei vicino all'oggetto.

Se hai una lente d'ingrandimento in casa, puoi dimostrare quanto è grande il granello di sabbia se visto attraverso di essa.

Per il resto, è una semplice analogia: "Ora, gli atomi sono proprio così, ma molto, molto, molto più piccoli. E in passato, quando ti ho detto che non possiamo vederli, non c'erano lenti di ingrandimento intorno che fossero buone abbastanza. Ma recentemente, hanno inventato alcuni che possono! " O se suona come una bugia (non so se ci siano stati progressi in questo campo negli ultimi 1-2 anni da quando hai detto a tuo figlio ...), dì qualcosa come "Certo, quei ragazzi hanno lenti di ingrandimento che sono grandi come una stanza, loro possono vedere gli atomi, ma noi qui non possiamo. "

Sia tu che io sappiamo che questa è una grossolana semplificazione, ma stiamo parlando della visione del mondo di un bambino di 4 anni.Non ha ancora bisogno di una comprensione completa degli effetti quantistici, dei fotoni che interagiscono con gli atomi e cose del genere.Quanto sopra le darà i concetti, non è totalmente sbagliato e può essere affrontato in modo più dettagliato molto più tardi.

Oh, e ovviamente ci sono molti umani là fuori che sono adolescenti o addirittura adulti e non hanno la minima possibilità di comprendere le spiegazioni "reali" più di quanto farebbe un bambino di 4 anni.Per quelli, anche spiegazioni simili possono funzionare bene.

Nella tipica esperienza a livello umano, gli atomi non sono soli. Anche l'atmosfera ha enormi quantità di atomi in un piccolo volume. Quando fai brillare una luce abbastanza intensa da vedere su un volume d'aria (o un oggetto solido), la luce viene riflessa da grandi quantità di atomi allo stesso tempo. Gli occhi umani non possono distinguere tra la luce dai singoli atomi, si fondono insieme. Quando guardi una TV da vicino, puoi vedere singoli pixel (o anche sub-pixel): quando guardi da più lontano, vedi ancora tutti i pixel, ma non puoi distinguerli facilmente l'uno dall'altro.

Ora immagina che dei milioni di pixel sullo schermo della TV, tutti siano neri tranne uno. Anche se i singoli pixel sono "troppo piccoli per essere visualizzati" (distinguendoli da altri pixel nelle vicinanze) normalmente, un pixel risalta chiaramente sullo sfondo nero. E questo è fondamentalmente ciò che questi ragazzi hanno fatto con gli atomi: tenere un singolo atomo lontano dagli altri atomi e accendere una luce. L'atomo è ancora "troppo piccolo per vedere", ma si presenta come un punto sfocato ( molto più grande dell'atomo stesso) poiché c'è poco rumore intorno ad esso. E proprio come con i pixel sulla TV, se metti due atomi vicini, non vedresti alcuna differenza - sembrerebbe comunque un singolo atomo. In effetti, avresti bisogno di grandi quantità di atomi insieme per rendere ovvio che non stai più guardando il "singolo atomo visibile".

In altre parole, "troppo piccolo per vedere" non significa letteralmente troppo piccolo per vedere.Quando guardi la luce riflessa da qualsiasi oggetto, stai "vedendo" atomi, molecole e persino singoli elettroni (per quanto tu possa parlare comunque dell'identità di un elettrone - pensa di più a "un elettrone in un particolare orbitale",non "elettrone di nome Bob"; gli elettroni non hanno realmente identità).Il significato letterale dell'affermazione è "troppo piccolo e troppo ravvicinato per essere distinto l'uno dall'altro".Se guardi da un aereo di notte, puoi vedere chiaramente le città illuminate senza essere in grado di risolvere i singoli lampioni, anche se tutta l'illuminazione proviene da tali sorgenti luminose.

Non puoi vedere una lampadina a centinaia di metri di distanza da te stesso, anche in pieno giorno.Tuttavia, di notte, quando è acceso, puoi farlo. Non vediamo il singolo atomo, abbiamo la luce emessa dall'atomo.

Portagli una lente d'ingrandimento e forse anche un microscopio per bambini.Non sarà ancora in grado di vedere gli atomi, ma avrà l'idea che ci sono cose troppo piccole per essere viste a occhio, ma che puoi ancora vedere con il giusto ingrandimento.Allora tutto quello che devi dire è che questi ragazzi hanno "microscopi davvero buoni e molto costosi".