Già da diverse decine di anni si possono vedere e "filmare" singoli atomi e molecole con strumenti come microscopi a ionizzazione di campo (FIM), microscopi elettronici in trasmissione (TEM), microscopi a scansione a effetto tunnel (STM), microscopi a forza atomica (AFM),… Con questi tipi di microscopi si riescono a risolvere strutture distanti tra loro un decimo di miliardesimo di metro. Un miliardesimo di metro, chiamato nanometro (nm), è alcune volte un tipico diametro atomico. Le figure qui sotto sono esempi di immagini che si possono ottenere con questi strumenti.

A sinistra si vedono singoli atomi di arsenico e gallio in un cristallo di arseniuro di gallio, al centro atomi di oro (le palline) e molecole di esatiofene (strisce bianche), a destra si vede uno strato di molecole di esatiofene, ogni bastoncino è una molecola lunga 2 nm. La prima immagine è stata presa con un TEM al TASC-INFM a Trieste e ha il lato maggiore lungo 2,3 nm, la seconda e la terza con un STM sempre al TASC-INFM e hanno lati di 10 nm e 12 nm.

Le prime immagini in cui si sono visti singoli atomi sono state ottenute da Erwin Mueller nel 1951 con un FIM. Tale strumento consisteva in una punta metallica aguzza di tungsteno (terminante con pochi atomi) messa nel vuoto, ad alto potenziale elettrico e ricoperta di atomi di elio. L'elevato campo elettrico sulla punta ionizzava gli atomi di elio e li faceva volare via in direzioni determinate dalla posizione degli atomi sulla punta. Un rivelatore di fronte alla punta determinava in che direzione gli atomi di elio erano emessi e permetteva di ricostruire la posizione dei singoli atomi sulla punta. Nel TEM si usa un fascio di elettroni che attraversa il campione per vedere la posizione dei suoi atomi, nell'STM una punta metallica terminante con pochi atomi esplora la superficie del campione tenendosi a distanza di pochi diametri atomici e tramite il cosiddetto effetto tunnel sente la posizione dei singoli atomi.

Un film ottenuto con STM che mostra singoli atomi di platino che si muovono a caso sulla superficie di un cristallo di platino si può vedere su Aarhus STM Movies. Un film ottenuto con il TEM dell'evoluzione su scala atomica di un nanofili d'oro si puo' vedere su Quantum Necking in Stressed Metallic Nanowires. Immagini di atomi e molecole attenute con STM si possono trovare ad esempio su Moving Atoms e Gallery of SPM images.

Cosa c'è dentro gli atomi si può vedere con altri strumenti, mandando opportune sonde (elettroni, protoni,...) a interagire con gli atomi, con i nuclei atomici e con le particelle che li costituiscono. Il nucleo dell'atomo è stato visto per la prima volta da Rutherford, Geiger e Marsden nel 1909 mandando un fascio di particelle alfa contro uno stato sottile di oro. Per risolvere la struttura dei nuclei e dei loro componenti, oggetti più di 100 000 volte più piccoli degli atomi, cioè piccoli un milionesimo di miliardesimo di metro, si usano gli acceleratori di particelle. Quanto più alta è l'energia a cui accelero le particelle che uso come sonda, tanto più in piccolo riesco a vedere. Gli acceleratori non forniscono immagini come quelle mostrate sopra, ma dall'analisi dei dati che si ottengono con tali macchine si può ricostruire la struttura del nucleo atomico e di cosa c'è dentro.

Informazioni su come si usano gli acceleratori di particelle si possono trovare ad esempio su Particle adventure.