Atom

Ideea că materia este alcătuită din unități discrete este o idee foarte veche, care apare în multe culturi antice, cum ar fi Grecia și India. Cuvântul „atom” a fost inventat de vechii filosofi greci. Cu toate acestea, aceste idei își aveau fundamentul mai mult în raționamentele filozofice și teologice, decât în dovezi și experimente. Ca urmare, vederile lor asupra felului cum arată și cum se comportă atomii erau incorecte. Ele nu puteau nici să convingă pe toată lumea, astfel încât atomismul era doar una dintr-o serie de ipoteze concurente cu privire la natura materiei. Abia în secolul al XIX-lea, ideea a fost îmbrățișată și rafinată de către oamenii de știință, atunci când știința emergentă a chimiei a produs descoperiri pe care numai conceptul de atomi le putea explica.

La începutul anilor 1800, John Dalton a folosit conceptul de atomi pentru a explica de ce elementele reacționează întotdeauna în raporturi de numere întregi mici (legea proporțiilor multiple). De exemplu, există două tipuri de oxid de staniu^⁠(d): unul este 88,1% staniu și 11,9% oxigen, iar celălalt este 78,7% staniu și 21,3% oxigen (oxid de staniu (II) și, respectiv, dioxid de staniu^⁠(d)). Acest lucru înseamnă că 100 g de staniu se vor combina fie cu 13,5 g, fie cu 27 g de oxigen. 13,5 și 27 sunt în raport de 1:2, un raport de numere întregi mici. Acest model comun în chimie i-a sugerat lui Dalton că elementele care reacționează în număr întreg multiplu de unități discrete — cu alte cuvinte, atomi. În cazul oxizilor staniului, un atom de staniu se va combina cu unul sau doi atomi de oxigen.^[4]

Dalton credea și că teoria atomică ar putea explica de ce apa absoarbe gaze diferite în proporții diferite. De exemplu, el a constatat că apa absoarbe dioxidul de carbon mult mai bine decât absoarbe azotul.^[5] Ipoteza lui Dalton se datora diferențelor de masă și configurație între particulele gazelor respective și moleculele de dioxid de carbon (CO₂) sunt mai grele și mai mari decât moleculele de azot (N₂).

În 1827, botanistul Robert Brown a folosit un microscop pentru a privi granule de praf plutind în apă și a descoperit că ele se mișcau haotic, fenomen care a devenit cunoscut sub numele de „mișcare browniană”. Acest lucru a fost considerat a fi cauzat de faptul că moleculele de apă lovesc granulele. În 1905, Albert Einstein a dovedit realitatea acestor molecule și mișcării lor prin producerea primei analize de fizică statistică a mișcării browniene.^[6][7][8] Fizicianul francez Jean Perrin s-a folosit de munca lui Einstein pentru a determina experimental masa și dimensiunile atomilor, confirmând astfel în mod concludent teoria atomică a lui Dalton.^[9]

Fizicianul J. J. Thomson a măsurat masa razelor catodice, arătând că ele sunt formate din particule, dar că acestea sunt de circa 1800 de ori mai ușoare decât cel mai ușor atom, cel de hidrogen. Prin urmare, ei nu erau atomi, ci o nouă particulă, prima particulă subatomică ce a fost descoperită, și pe care el a numit-o inițial „corpuscul”, și mai târziu electron, după particulele postulate de către Johnstone Stoney^⁠(d) în 1874. El a arătat și că ele sunt identice cu particulele emanate de materialele fotoelectrice și de cele radioactive.^[10] S-a recunoscut rapid că acestea sunt chiar particulele care transportă curenții electrici în firele de metal, și care poartă sarcina electrică negativă în atomi. Thomson a primit în 1906 Premiul Nobel în Fizică pentru acest lucru. Astfel, el a răsturnat credința că atomii sunt particulele finale, indivizibile, de materie.^[11] Thomson a și postulat, incorect, că masa redusă a electronilor încărcați negativ este distribuită prin tot atomul printr-o mare uniformă de sarcini pozitive. Acest lucru a devenit cunoscut ca modelul „cozonacului cu stafide”.

În 1909, Hans Geiger și Ernest Marsden^⁠(d), sub conducerea lui Ernest Rutherford, au bombardat o folie metalică cu particule alfa pentru a observa cum se împrăștie ele. Ei se așteptau ca toate particulele alfa să treacă direct prin folie, cu minime devieri, deoarece modelul lui Thomson spunea că sarcina în cadrul atomului este atât de difuză încât câmpurile lor electrice nu ar putea afecta prea mult particulele alfa. Cu toate acestea, Geiger și Marsden au constatat că unele particule alfa sunt deviate la unghiuri mai mari de 90°, ceea ce în mod normal ar fi trebuit să fie imposibil potrivit modelului Thomson. Pentru a explica acest lucru, Rutherford a propus că sarcina pozitivă a atomului este concentrată într-un nucleu mic aflat în centrul atomului.^[12]

În timp ce experimenta cu produsele dezintegrării radioactive, în 1913 radiochimistul Frederick Soddy a descoperit ceea ce părea să fie mai mult decât un singur tip de atom pe fiecare poziție în tabelul periodic.^[13] Termenul izotop a fost inventat de către Margaret Todd ca nume potrivit pentru diferiți atomi care aparțin aceluiași element. J. J. Thomson a creat o tehnică de separare a tipurilor de atom prin munca sa de gaze ionizate, care ulterior a condus la descoperirea izotopilor stabili^⁠(d).^[14]

În 1913, fizicianul Niels Bohr a propus un model în care electronii unui atom sunt presupuși a orbita în jurul nucleului, dar că pot face acest lucru numai într-o mulțime finită de orbite, și ar putea sări între aceste orbite numai în salturi discrete de energie corespunzătoare absorbției sau radiației unui foton.^[15] Această cuantificare a fost folosită pentru a explica de ce orbitele electronilor sunt stabile (având în vedere că, în mod normal, sarcinile accelerate, inclusiv prin mișcare circulară, pierd energie cinetică care emisă sub formă de radiații electromagnetice, vezi radiația de sincrotron) și de ce elemente absorb și emit radiații electromagnetice în spectre discrete.^[16]

Mai târziu în același an, Henry Moseley a furnizat noi dovezi experimentale în favoarea teoriei lui Niels Bohr. Aceste rezultate au rafinat modelul lui Ernest Rutherford și modelul lui Antonius van den Broek^⁠(d), care avansa ideea că atomul conține în nucleu un număr de sarcini nucleare^⁠(d) pozitive egal cu numărul (atomic) din tabelul periodic. Până la aceste experimente, numărul atomic nu era cunoscut drept cantitate fizică și experimentală. Faptul că este egal cu sarcina atomică rămâne modelul atomic acceptat astăzi.^[17]

Legăturile chimice dintre atomi erau acum explicate, de Gilbert Newton Lewis în 1916, ca interacțiuni între electronii care îi compun.^[18] Cum se cunoștea în mare măsură că proprietățile chimice ale elementelor se repetă în conformitate cu o lege periodică^⁠(d),^[19] în 1919, chimistul american Irving Langmuir a sugerat că acest lucru ar putea fi explicat prin faptul că electronii dintr-un atom sunt legați sau grupați într-un fel. Se credea că grupurile de electroni ocupă o mulțime de învelișuri electronice în jurul nucleului.^[20]

Experimentul Stern–Gerlach din 1922 a furnizat dovezi suplimentare ale naturii cuantice a atomului. Atunci când un fascicul de atomi de argint a fost trecut printr-un câmp magnetic de formă specială, fasciculul a fost divizat în funcție de direcția momentului cinetic al atomului, denumit spin. Cum această direcție este aleatoare, era de așteptat ca raza să se răspândească într-o linie. În schimb, fasciculul a fost împărțit în două părți, în funcție de orientarea spinului atomic, în sus sau în jos.^[21]

În 1924, Louis de Broglie a avansat ipoteza că toate particulele se comportă până la un punct ca niște unde. În 1926, Erwin Schrödinger a folosit această idee pentru a dezvolta un model matematic al atomului, care descria electronii ca forme de undă^⁠(d) tridimensionale, mai degrabă decât ca particule punctiforme. O consecință a folosirii formelor de undă pentru a descrie particulele a fost că este matematic imposibil să se obțină valori precise atât pentru poziția cât și pentru impulsul unei particule la un moment dat în timp; acest lucru a devenit cunoscut ca principiul incertitudinii, și a fost formulat de Werner Heisenberg în 1926. În acest concept, pentru o anumită precizie în măsurarea unei poziții se poate obține o gamă largă de valori probabile pentru impuls, și vice-versa.^[22] Acest model a fost în măsură să explice observațiile comportamentului atomic pe care modelele anterioare nu le puteau explica, cum ar fi anumite șabloane structurale și spectrale ale unor atomi mai mari decât hidrogenul. Astfel, s-a renunțat la modelul planetar al atomului în favoarea unuia care descria zone orbitale atomice în jurul nucleului unde un anumit electron este cel mai probabil să fie observat.^[23][24]

Dezvoltarea spectrometriei de masă a permis măsurarea cu precizie sporită a masei atomilor. Dispozitivul folosește un magnet pentru a îndoi traiectoria unui fascicul de ioni, și cantitatea de deformare este determinată de raportul între masa unui atom și sarcina sa. Chimistul Francis William Aston a folosit acest instrument pentru a arăta că izotopii au mase diferite. Masa atomică a acestor izotopi variază cu multipli întregi ai unei valori, denumită regula numerelor întregi^⁠(d).^[25] Explicația pentru acești izotopi diferiți aștepta descoperirea neutronului, o particulă fără sarcină, cu o masă similară cu a protonului, de către fizicianul James Chadwick în 1932. Izotopii au fost atunci explicați ca elemente cu același număr de protoni, dar număr diferit de neutroni în nucleu.^[26]

În 1938, chimistul German Otto Hahn, un student al lui Rutherford, a direcționat neutronii asupra unor atomi de uraniu pentru a obține elemente transuranice. Experimentele lui chimice au demonstrat, în schimb, producerea de bariu.^[27] Un an mai târziu, Lise Meitner și nepotul ei Otto Robert Frisch au confirmat că rezultatul lui Hahn a fost de fapt prima fisiune nucleară experimentală.^[28][29] În 1944, Hahn a primit premiul Nobel pentru Chimie. În ciuda eforturilor lui Hahn, contribuțiile lui Meitner și Frisch nu au fost recunoscute.^[30]

În 1950, dezvoltarea unor acceleratoare de particule și detectoare de particule îmbunătățite au permis oamenilor de știință să studieze efectele atomilor în mișcare la energii înalte.^[31] Neutronii și protonii s-au dovedit a fi hadroni, adică compuși din particule mai mici numite quarkuri. A fost dezvoltat modelul standard al fizicii particulelor, care până acum a explicat cu succes proprietățile nucleului în ceea ce privește aceste particule sub-atomice și forțele care guvernează interacțiunile lor.^[32]

Deși cuvântul atom denumea inițial o particulă care nu poate fi împărțită în particule mai mici, în utilizarea științifică modernă atomul este compus din diferite particule subatomice. Particulele constituente ale unui atom sunt electronii, protonii și neutronii; toate trei sunt fermioni. Ca excepție, atomul de hidrogen-1 nu are neutroni, iar ionul hidron nu are electroni.

Electronul este de departe cel mai puțin masiv din aceste particule, la 6969911000000000000♠9.11×10⁻³¹ kg, cu sarcină electrică negativă și cu dimensiune care este prea mică pentru a fi măsurată folosind tehnicile disponibile.^[33] Este cea mai ușoară particulă cu masă de repaus pozitivă măsurată. În condiții normale, electronii sunt legați de nucleul încărcat pozitiv prin atracția creată între sarcinile electrice de semn opus. Dacă un atom are mai mulți sau mai puțini electroni decât numărul său atomic, atunci el devine încărcat negativ sau, respectiv, pozitiv în ansamblu; un atom încărcat electric se numeste ion. Electronii au fost cunoscuți încă de la sfârșitul secolului al XIX-lea, mai ales datorită lui J. J. Thomson.

Protonii au o sarcină pozitivă și o masă de 1836 de ori mai mare ca a electronului, la 6973167260000000000♠1.6726×10⁻²⁷ kg. Numărul de protoni dintr-un atom se numește număr atomic. Ernest Rutherford (1919) a observat că azotul, sub bombardament de particule alfa, radiază ceea ce părea a fi nuclee de hidrogen. În 1920, el acceptase faptul că nucleul de hidrogen este o particulă distinctă în interiorul atomului, și l-a numit proton.

Neutronii nu au sarcină electrică și au o masă liberă de 1839 de ori mai mare ca masa electronului,^[34] sau 6973167490000000000♠1.6749×10⁻²⁷ kg, fiind cea mai grea dintre cele trei particule constituente, dar el poate fi redus prin energia de legătură nucleară^⁠(d). Neutronii și protonii (cunoscuți colectiv sub numele de nucleoni) au dimensiuni comparabile—de ordinul a 6985250000000000000♠2.5×10⁻¹⁵ m—deși „suprafața” acestor particule nu este definită clar.^[35] Neutronul a fost descoperit în 1932 de către fizicianul englez James Chadwick.

În Modelul Standard al fizicii, electronii sunt cu adevărat particule elementare, fără structură internă. Cu toate acestea, atât protonii cât și neutronii sunt particule compozite alcatuite din particule elementare numite quarkuri. Există două tipuri de quarkuri în atomi, fiecare având o sarcină electrică fracționară. Protonii sunt compuși din două quarkuri up^⁠(d) (fiecare cu sarcina +⅔) și un quark down^⁠(d) (cu o sarcină de −⅓. Neutronii constau dintr-un quark up și două quarkuri down. Această distincție explică diferența de masă și de sarcină electrică între cele două particule.^[36][37]

Quarkurile sunt ținute împreună de interacțiunea tare (sau forța nucleară tare), care este mediată de gluoni. Protonii și neutronii, la rândul lor, sunt ținuți unul lângă altul în nucleu de forța nucleară, care este un reziduu al unei forțe tari cu proprietăți oarecum diferite în raport cu raza de acțiune. Gluonul este un membru al familiei bosonilor gauge, particule elementare care mediază forțe fizice.^[36][37]

Toți protonii și neutronii legați din atom formează un mic nucleu atomic, și sunt denumiți colectiv nucleoni. Raza nucleului este aproximativ egală cu 1.07 ³√A fm, unde A este numărul total de nucleoni.^[38] Acesta este mult mai mic decât raza atomului, care este de ordinul a 10⁵ fm. Nucleonii sunt legați împreună de un potențial atractiv cu rază mică de acțiune numit forță tare reziduală. La distanțe mai mici de 2,5 fm această forță este mult mai puternică decât forța electrostatică care provoacă respingerea reciprocă a protonilor încărcați pozitiv.^[39]

Atomii aceluiași element au același număr de protoni, numit număr atomic. Într-un singur element, numărul de neutroni poate varia, determinând izotopii acelui element. Numărul total de protoni și neutroni determină nuclidul. Numărul de neutroni relativ la cel de protoni determină stabilitatea nucleului, anumiți izotopi pretându-se la dezintegrare radioactivă.^[40]

Protonul, electronul, neutronul sunt clasificați ca fermioni. Fermionii se supun principiului de excluziune al lui Pauli, care interzice fermionilor identici, cum ar fi mai mulți protoni, să ocupe aceeași stare cuantică în același timp. Astfel, fiecare proton din nucleu trebuie să ocupe o stare cuantică diferită de toți ceilalți protoni, și același lucru este valabil și pentru neutronii din nucleu și pentru toți electronii din norul de electroni. Cu toate acestea, un proton și un neutron au voie să ocupe aceeași stare cuantică.^[41]

Pentru atomii cu un număr atomic scăzut, un nucleu care are mai mulți neutroni decât protoni tinde să scadă la o stare de energie mai mică prin dezintegrare radioactivă, astfel încât raportul neutroni–protoni^⁠(d) să se apropie de unu. Cu toate acestea, pe măsură ce numărul atomic crește, este necesară o proporție mai mare de neutroni pentru compensarea respingerii reciproce dintre protoni. Astfel, nu există nuclee stabile cu număr egal de protoni și neutroni de la numărul atomic Z = 20 (calciu) în sus și, pe măsură ce Z crește, raportul neutroni–protoni al izotopilor stabili crește și el.^[41] Izotopul stabil cu cel mai mare raport protoni–neutroni raport este plumb-208^⁠(d) (aproximativ 1,5).

Numărul protonilor și neutronilor în nucleul atomic poate fi modificat, deși acest lucru poate necesita energii foarte înalte din cauza forței tari. Fuziunea nucleară apare atunci când mai multe particule atomice se unesc pentru a forma un nucleu mai greu, cum ar fi prin ciocnirea la mare energie a două nuclee. De exemplu, în centrul Soarelui protonii necesită energii de 3-10 keV, pentru a depăși respingerea—bariera Coulomb—și a fuziona într-un singur nucleu.^[42] Fisiunea nucleară este procesul invers, provocarea divizării unui nucleu în două nuclee mai mici—de obicei, prin dezintegrare radioactivă. Nucleul poate fi modificat și prin bombardament cu particule subatomice sau fotoni de mare energie. Dacă aceasta modifică numărul de protoni din nucleu, atomul se transformă într-un alt element chimic.^[43][44]

Dacă în urma unei reacții de fuziune masa nucleului este mai mică decât suma maselor particulelor separate, atunci diferența dintre aceste două valori pot fi emise sub forma unui tip de energie utilizabilă (cum ar fi o rază gamma, sau energia cinetică a unei particule beta), așa cum descrie formula lui Albert Einstein a echivalenței masă–energie E = mc², unde m este pierderea de masă și c este viteza luminii. Acest deficit face parte din energia de legătură^⁠(d) a noului nucleu, și este pierderea nerecuperabilă de energie care provoacă particulele sudate una de alta să rămână împreună într-o stare care necesită această energie pentru a se separa.^[45]

Fuziunea a două nuclee care creează nuclee mai mari cu numere atomice mai mici decât fierul și nichelul—un număr total de nucleoni de aproximativ 60—este de obicei un proces exoterm care eliberează mai multă energie decât este necesară pentru a le aduce împreună.^[46] Acest proces de eliberare de energie este cel care face ca fuziunea nucleară din stele să fie o reacție auto-susținută. Pentru nuclee mai grele, energia de legătură per nucleon din nucleu începe să scadă. Aceasta înseamnă că procesele de fuziune producătoare de nuclee cu numere atomice mai mari decât aproximativ 26 și mase atomice mai mari decât 60 este un proces endoterm. Aceste nuclee mai grele nu pot suferi o reacție de fuziune producătoare de energie care să poată susține echilibrul hidrostatic al unei stele.^[41]

Electronii dintr-un atom sunt atrași de protonii din nucleu prin forța electromagnetică. Această forță leagă electronii într-o groapă de potențial electrostatic ce înconjoară nucleul mai mic, ceea ce înseamnă că o sursă externă de energie este necesară pentru ca electronul să scape. Cu cât este mai aproape un electron de nucleu, cu atât mai mare forța de atracție. Prin urmare, electronii legați în apropiere de centrul gropii de potențial necesită mai multă energie pentru a scăpa decât cei mai îndepărtați.

Electronii, ca și alte particule, au proprietăți atât de particulă cât și de undă. Norul electronic este o regiune în interiorul gropii de potențial, unde fiecare electron formează un fel de undă staționară tridimensională—o formă de undă care nu se mișcă în raport cu nucleul. Acest comportament este definit de un orbital atomic, o funcție matematică care caracterizează probabilitatea ca un electron să pară a fi într-un anumit loc, atunci când poziția sa este măsurată.^[47] Doar o mulțime discretă (sau cuantificată) de orbitali există în jurul nucleului, întrucât alte modele posibile de undă se degradează rapid într-o formă mai stabilă.^[48] Orbitalii pot avea una sau mai multe structuri de inel sau de nod, și diferă unele de altele în dimensiune, formă și orientare.^[49]

Fiecare orbital atomic corespunde unui anumit nivel de energie al electronului. Electronul își poate schimba starea la un nivel superior de energie prin absorbția unui foton cu energie suficientă pentru a-l trece într-o nouă stare cuantică. De asemenea, prin intermediul emisiei spontane, un electron dintr-o stare mai mare de energie poate scădea la o stare de energie mai mică, în timp ce radiază energia în exces sub forma unui foton. Aceste valori caracteristice ale energiei, definite prin diferențele de energie ale stărilor cuantice, sunt responsabile pentru liniile spectrale atomice.^[48]

Cantitatea de energie necesară pentru a elimina sau adăuga un electron— energia de legătură a electronului—este cu mult mai mică decât energia de legătură a nucleonilor^⁠(d). De exemplu, este nevoie de doar 13.6 eV pentru a scoate un electron din starea de bază^⁠(d) dintr-un atom de hidrogen,^[50] comparativ cu 2.23 milioane de eV pentru divizarea unui nucleu de deuteriu.^[51] Atomii sunt neutri din punct de vedere electric dacă au un număr egal de protoni și electroni. Atomii care au un deficit sau un surplus de electroni se numesc ioni. Electronii care sunt aflați mai departe de nucleu pot fi transferați la alți atomi din apropiere sau puși în comun între atomi. Prin acest mecanism, atomii sunt în măsură să formeze legături în cadrul moleculelor și în alte tipuri de compuși chimici, cum ar fi rețelele de cristale ionice și covalente.^[52]

Prin definiție, orice doi atomi cu același număr de protoni în nucleele lor aparțin aceluiași element chimic. Atomii cu același număr de protoni, dar număr diferit de neutroni sunt izotopi diferiți ai aceluiași element. De exemplu, atomii de hidrogen admit exact un proton, dar există izotopi fără neutroni (hidrogen-1^⁠(d), de departe, cea mai comună formă,^[53] numit și protiu), un neutron (deuteriu), doi neutroni (tritiu) și mai mult de doi neutroni. Elementele cunoscute formează un set de numere atomice, de la elementul cu un singur proton, hidrogenul, până la elementul cu 118 protoni ununocțiu.^[54] Toți izotopii cunoscuți ai elementelor cu numărul atomic mai mare de 82 sunt radioactivi.^[55][56]

Circa 339 nuclizi apar în mod natural pe Pământ,^[57] din care 254 (aproximativ 75%) nu au fost observați a se degrada, și sunt menționați ca „izotopi stabili^⁠(d)”. Cu toate acestea, doar 90 din acești nuclizi sunt stabili la toate degradările, chiar și teoretic. Alți 164 (ajungând la un total de 254) nu au fost observați a se degrada, chiar dacă în teorie este posibil din punct de vedere energetic. Aceștia sunt oficial clasificați ca fiind „stabili”. Alți 34 de nuclizi radioactivi au timp de înjumătățire mai mare de 80 de milioane de ani și au viață suficient de lungă încât să fi fost prezenți la nașterea sistemului solar. Această colecție de 288 de nuclizi este cunoscută sub numele de nuclizi primordiali. În sfârșit, sunt cunoscuți încă 51 de nuclizi cu viață scurtă care pot apărea în mod natural, ca produse ale descompunerii nuclizilor primordiali (cum ar fi radiul din uraniu), sau altfel ca produse ale proceselor energetice naturale de pe Pământ, cum ar fi bombardamentul cu raze cosmice (de exemplu, carbonul-14).^[58][a]

Pentru 80 de elemente chimice, există cel puțin un izotop stabil^⁠(d). Ca o regulă, există doar câțiva izotopi stabili pentru fiecare dintre aceste elemente, valoarea medie fiind de 3,2 izotopi per element. Douăzeci și șase de elemente au numai un singur izotop stabil, în timp ce cel mai mare număr de izotopi observat pentru orice element este de zece, pentru elementul staniu. Elementele 43, 61, și toate elementele cu numere de la 83 în sus nu au izotopi stabili.^{[59][necesită pagina]}

Stabilitatea izotopilor este afectată de raportul dintre protoni și neutroni, și de prezența unor „numere magice” de neutroni sau protoni, care reprezintă învelișuri cuantice închise și pline. Aceste învelișuri cuantice corespund unui set de niveluri de energie în cadrul modelului cu învelișuri^⁠(d) al nucleului; învelișuri pline, cum ar fi învelișul plin de 50 de protoni pentru staniu, conferă stabilitate neobișnuită nuclidului. Din cele 254 de nuclee stabile cunoscute, doar patru au atât un număr impar de protoni și un număr impar de neutroni: hidrogen-2 (deuteriu), litiu-6^⁠(d), bor-10 și azot-14^⁠(d). De asemenea, doar patru nuclizi naturali, radioactivi, par–par au un timp de înjumătățire de peste un miliard de ani: potasiu-40^⁠(d), vanadiu-50^⁠(d), lantan-138^⁠(d) și tantal-180m^⁠(d). Majoritatea nucleelor impar–impar sunt foarte instabile în raport cu dezintegrarea beta, deoarece produsele de descompunere sunt par–par, și, prin urmare, mai puternic legate, din cauza efectelor împerecherilor nucleare^⁠(d).^{[59][necesită pagina]}

Majoritatea masei unui atom provine de la protoni și neutroni. Numărul total al acestor particule (numite „nucleoni”) într-un anumit atom se numește numărul de masă. Este un număr întreg pozitiv și adimensional (în loc de a avea dimensiunea de masă), pentru că exprimă un număr. Un exemplu de utilizare a unui numărul de masă este „carbon-12,” care are 12 nucleoni (șase protoni și șase neutroni).

Masa unui atom în repaus^⁠(d) este de multe ori exprimată folosind unitatea unificată atomică de masă (u), numită și dalton (Da). Această unitate este definită ca o a douăsprezecea parte din masa liberă a unui atom neutru de carbon-12^⁠(d), care este de aproximativ 6973166000000000000♠1.66×10⁻²⁷ kg.^[60] Hidrogen-1 (cel mai ușor izotop de hidrogen, care este și nuclidul cu cea mai mică masă) are 1.007825 u.^[61] Valoarea acestui număr se numește masă atomică. Un anumit atom are o masă atomică aproximativ egală (cu aproximație de 1%) cu numărul de masă înmulțit cu unitatea atomică de masă (de exemplu masa azotului-14 este de aproximativ 14 u). Cu toate acestea, acest număr nu va fi exact un număr întreg, cu excepția carbonului-12 (vezi mai jos).^[62] Cel mai greu atom stabil este plumb-208,^[55] cu o masă de 7002207976652100000♠207.9766521 u.^[63]

Deoarece chiar și cei mai masivi atomi sunt mult prea ușori pentru a lucra cu ei în mod direct, chimiștii folosesc în schimb unitatea mol. Un mol de atomi de orice element are întotdeauna același număr de atomi (circa 7023602200000000000♠6.022×10²³). Acest număr a fost ales astfel încât, dacă un element are o masă atomică de 1 u, un mol de atomi de acest element are o masă de aproape un gram. Pentru definirea unității atomice de masă, fiecare atom de carbon-12 are o masă atomică de exact 12 u, și deci un mol de atomi de carbon-12 cântărește exact 0,012 kg.^[60]

Atomilor le lipsește o limită exterioară bine definită, astfel încât dimensiunile lor sunt de obicei descrise în termeni de rază atomică. Aceasta este o măsură a distanței pe care se întinde norul electronic de la nucleu.^[2] Acest lucru presupune însă că atomul ar prezenta o formă sferică, ceea ce este adevărat doar pentru atomi în vid sau în spațiul liber. Raze atomice se pot calcula din distanțele între două nuclee atunci când doi atomi sunt uniți într-o legătură chimică. Raza variază în funcție de locația unui atom în structura atomică, tipul de legătură chimică, numărul atomilor vecini (numărul de coordonare) și proprietatea mecanică cuantică numită spin.^[64] În tabelul periodic al elementelor, dimensiunea atomilor tinde să crească atunci când ne deplasăm în jos pe coloane, dar să scadă atunci când ne deplasăm pe rânduri (de la stânga la dreapta).^[65] Ca urmare, cel mai mic atom este cel de heliu, cu o rază de 32 pm, în timp ce unul dintre cele mai mari este cel de cesiu, cu 225 pm.^[66]

Atunci când este supus unor forțe externe, cum ar fi câmpurile electrice, forma unui atom se poate abate de la simetria sferică. Deformarea depinde de mărimea câmpului și de tipul de orbital al electronilor exteriori, așa cum arată unele considerații de teoria grupurilor. Abateri asferice ar putea fi provocate de exemplu în cristale, unde câmpuri electrice mari pot apărea în puncte de joasă simetrie a rețelei. S-a demonstrat că pot apărea deformări elipsoidale semnificative la ionii de sulf^[67] și ai altor calcogeni^[68] în compușii de tipul piritei.

Dimensiunile atomice sunt de mii de ori mai mici decât lungimile de undă ale luminii (400-700 nm), astfel încât aceștia nu pot fi văzuți folosind un microscop optic. Atomi individuali pot fi totuși observați folosind un microscop de scanare cu efect tunel. Pentru a înțelege cât de mic este un atom, ne putem gândi că un fir de păr uman tipic are aproximativ 1 milion de atomi de carbon lățime.^[69] O singură picătură de apă conține aproximativ 2 triliarde^⁠(d) (7021200000000000000♠2×10²¹) de atomi de oxigen, și de două ori mai mulți atomi de hidrogen..^[70] Un singur diamant de un carat, cu o masă de 6996200000000000000♠2×10⁻⁴ kg conține aproximativ 10 triliarde (10²²) de atomi de carbon.^[b] Dacă un măr ar fi mărit la dimensiunea Pământului, atunci atomii din măr ar fi aproximativ de dimensiunea mărului original.^[71]

Fiecare element are unul sau mai mulți izotopi cu nuclee instabile care sunt supuse dezintegrării radioactive, făcând nucleul să emită particule sau radiații electromagnetice. Radioactivitatea poate apărea atunci când raza unui nucleu este mare în comparație cu raza de acțiune a forței tari, care acționează numai pe distanțe de ordinul a 1 fm.^[72]

Cele mai frecvente forme de dezintegrare radioactivă sunt:^[73][74]

• Dezintegrarea alfa: acest proces este cauzat atunci când nucleul emite o particulă alfa, adică un nucleu de heliu, constând din doi protoni și doi neutroni. Rezultatul emisiei este un element nou, cu un număr atomic mai mic.
• Dezintegrarea beta (și capturarea de electroni^⁠(d)): aceste procese sunt reglementate de forța slabă, și rezultă din transformarea unui neutron într-un proton, sau a unui proton într-un neutron. Tranziția neutron-proton este însoțită de emisia unui electron și a unui antineutrino, în timp ce o tranziție proton-neutron (cu excepția capturării de electroni) provoacă emisia unui pozitron și a unui neutrino. Emisiile de electroni sau pozitroni sunt numite particule beta. Dezintegrarea beta fie crește, fie scade numărul atomic al nucleului cu unu. Capturarea de electroni este mult mai comună decât emisia de pozitroni, pentru că necesită mai puțină energie. În acest tip de degradare, nucleul absoarbe un electron mai degrabă decât să emită un pozitron. În acest proces, se emite însă un neutrino este, și un proton se transformă în neutron.
• Dezintegrare gamma: acest proces rezultă dintr-o schimbare în nivelul de energie al nucleului la o stare de energie inferioară, care se soldează cu emisie de radiații electromagnetice. Starea excitată a unui nucleu care produce emisie gamma apare de obicei în urma emisiei unei particule alpha sau beta. Astfel, dezintegrarea gama urmează de obicei după dezintegrarea alfa sau beta.

Alte tipuri mai rare de dezintegrare radioactivă sunt ejecția de neutroni sau protoni sau de grupuri de nucleoni din nucleu, sau mai multe particule beta. O emisie gamma analogă care permite ca nucleele excitate să piardă energie într-un mod diferit, este conversia internă^⁠(d)— un proces care produce electroni cu viteză mare care nu sunt radiații beta, urmați de producerea de fotoni cu energie înaltă, care nu sunt radiații gamma. Câteva nuclee mari pot exploda în două sau mai multe fragmente încărcate electric de diferite mase, plus câțiva neutroni, într-o degradare numită fisiune nucleară spontană.

Fiecare izotop radioactiv are o perioadă de timp ce caracterizează descompunerea— timpul de înjumătățire—care este determinat de cantitatea de timp necesară pentru ca o jumătate dintr-un eșantion să se dezintegreze. Acesta este un proces de scădere exponențială^⁠(d) care scade în mod constant proporția de izotop rămasă cu 50% la fiecare timp de înjumătățire. Prin urmare, după ce se scurge de două ori timpul de înjumătățire, va mai rămâne 25% din izotopul prezent, și așa mai departe.^[72]

Particulele elementare posedă o proprietate mecanică cuantică intrinsecă numită spin. Acest lucru este analog cu momentul cinetic al unui obiect care se rotește în jurul centrului de masă, deși, strict vorbind, aceste particule sunt considerate a fi punctiforme și nu mai poate fi vorba despre o rotație a lor. Spinul este măsurat în unități de constantă Planck redusă (ħ), electronii, protonii și neutronii toate având spin ½ ħ, sau „spin-½”. Într-un atom, electronii în mișcare în jurul nucleului posedă un moment cinetic orbital în plus față de spin, în timp ce nucleul în sine posedă moment cinetic datorită spinului nuclear.^[75]

Câmpul magnetic produs de un atom— momentul său magnetic—este determinat de aceste diferite forme de moment cinetic, la fel cum un obiect încărcat electric produce de regulă un câmp magnetic. Cu toate acestea, cea mai importantă contribuție vine de la spinul electronilor. Datorită naturii electronilor de a respecta principiul de excluziune al lui Pauli, conform căruia doi electroni nu se pot găsi în aceeași stare cuantică, electronii legați fac pereche, fiecare membru al perechii într-un spin cu direcția în sus și celălalt cu spinul în jos. Astfel, aceste rotiri se anulează reciproc, reducând total momentul de dipol magnetic la zero în unii atomi cu număr par de electroni.^[76]

În elementele feromagnetice, cum ar fi fierul, cobaltul și nichelul, un număr impar de electroni conduce la existența unui electron nepereche și la prezența unui moment magnetic net. Orbitalii atomilor vecini se suprapun și se atinge o stare de energie mai joasă atunci când spinii electronilor nepereche sunt aliniați unul cu celălalt, proces spontan cunoscut sub numele de interacțiune de schimb^⁠(d). Când momentele magnetice ale atomilor materialelor feromagnetice sunt aliniate, materialul poate produce un câmp măsurabil la scară macroscopică. Materialele paramagnetice au atomi cu momentele magnetice întreptate în direcții aleatoare atunci când nu este prezent niciun câmp magnetic, care se aliniază în prezența unui câmp.^[76][77]

Nucleul unui atom nu va avea niciun spin atunci când are atât număr par de neutroni cât și de protoni, dar în alte cazuri cu numere impare, nucleul poate avea spin. În mod normal, nucleele cu spin sunt aliniate în direcții aleatoare, din cauza echilibrului termic^⁠(d). Cu toate acestea, pentru anumite elemente (cum ar fi xenon-129) este posibil să se polarizeze^⁠(d) o proporție semnificativă din stările de spin nuclear, astfel încât acestea să fie aliniate în aceeași direcție—o condiție numită hiperpolarizare^⁠(d). Aceasta are importante aplicații în imagistica prin rezonanță magnetică.^[78][79]

Energia potențială a unui electron într-un atom este negativă, dependența ei față de poziție ajungând la un minim (valoare absolută maximă) în interiorul nucleului, și dispărând atunci când distanța de la nucleu tinde la infinit, aproximativ invers proporțional cu distanța. În modelul cuantic-mecanic, un electron legat poate ocupa doar o mulțime de stări centrat pe nucleu, și fiecare stare corespunde unui anumit nivel de energie; vezi ecuația lui Schrödinger independentă de timp pentru o explicație teoretică. Un nivel de energie poate fi măsurat prin cantitatea de energie necesară pentru a dezlega electronul din atom, și este, de obicei, dată în unități de electronvolți (eV). Cel mai mic nivel de energie al unui electron legat se numește stare fundamentală, sau stare staționară, în timp ce o tranziție a unui electron la un nivel superior se soldează cu o stare excitată.^[80] Energia electronilor crește atunci când n crește, deoarece distanța (medie) față de nucleu crește. Dependența energiei de ℓ este cauzată nu de potențialul electrostatic al nucleului, ci prin interacțiunea între electroni.

Pentru ca un electron să treacă de la o stare la alta^⁠(d), de exemplu de la starea fundamentală la primul nivel excitat (ionizare), acesta trebuie să absoarbă sau să emită un foton la o energie egală cu diferența de energie potențială între aceste niveluri, conform modelului lui Niels Bohr, care poate fi calculată cu precizie prin ecuația lui Schrödinger. Electronii trec între orbitali într-o manieră similară particulelor. De exemplu, dacă un singur foton ar lovi electronii, numai un singur electron și-ar schimba starea ca răspuns la foton; a se vedea proprietățile electronului.

Energia emisă de un foton este proporțională cu frecvența sa, astfel încât aceste niveluri de energie specifice apar ca benzi distincte în cadrul spectrului electromagnetic.^[81] Fiecare element are un spectru caracteristic care depinde de sarcina nucleară, subînvelișurile ocupate de electroni, interacțiunile electromagnetice dintre electroni și de alți factori.^[82]

Atunci când un spectru continuu de energie este trecut printr-un gaz sau printr-o plasmă, unii dintre fotoni sunt absorbiți de atomi, făcându-i pe electroni să-și schimbe nivelul de energie. Acești electroni excitați care rămân legați de atom emit spontan această energie sub forma unui foton, care se îndreaptă într-o direcție oarecare, și astfel coboară înapoi la un nivel inferior de energie. Astfel, atomii se comportă ca un filtru care formează o serie de benzi de absorbție^⁠(d) întunecate în producția de energie. (Un observator care vizualizează atomii dintr-o perspectivă care nu include spectrul continuu în fundal vede, în schimb, o serie de linii de emisie produse de fotonii emiși de către atomi.) Măsurătorile spectroscopice ale intensității și lățimii liniilor spectrale atomice permit identificarea compoziției și proprietăților fizice ale unei substanțe.^[83]

Examinarea atentă a liniilor spectrale relevă că unele prezintă o divizare a structurii fine^⁠(d). Acest lucru se întâmplă din cauza interacțiunii spin–orbită^⁠(d), care este o interacțiune între spin și mișcarea electronului cel mai exterior.^[84] Când un atom se află într-un câmp magnetic exterior, liniile spectrale devin împărțite în trei sau mai multe componente, fenomen numit efect Zeeman. Acest lucru este cauzat de interacțiunea câmpului magnetic cu momentul magnetic al atomului și al electronilor săi. Unii atomi pot avea mai multe configurații de electroni cu același nivel de energie, care apar astfel ca o singură linie spectrală. Interacțiunea câmpului magnetic cu atom deplasează aceste configurații de electroni la niveluri de energie ușor diferite, de unde rezultă mai multe linii spectrale.^[85] Prezența unui câmp electric extern poate provoca un nivel comparabil de divizare și deplasare a liniilor spectrale prin modificarea nivelurilor de energie ale electronilor, un fenomen numit efect Stark^⁠(d).^[86]

Dacă un electron legat este într-o stare excitată, un foton care interacționează cu el și are energie corespunzătoare poate provoca o emisie stimulată a unui foton cu nivelul de energie potrivit. Pentru ca acest lucru să apară, electronul trebuie să coboare la o stare de energie mai mică, astfel încât diferența de energie să fie aceeași cu energia de fotonului cu care interacționează. Fotonii emiși și fotonii care interacționează pornesc apoi în paralel și în fază; adică, modelele de undă ale celor doi fotoni sunt sincronizate. Această proprietate fizică este folosită pentru a face lasere, care pot emite fascicule coerente de lumină a căror energie este într-o bandă de frecvență îngustă.^[87]

Valența este puterea de combinare a unui element. Aceasta este egală cu numărul de atomi de hidrogen cu care atomul s-ar putea combina sau pe care i-ar putea dizloca în formarea de compuși.^[88] Învelișul exterior de electroni al unui atom în starea sa necombinată este cunoscut sub denumirea de strat de valență, iar electronii de la acel nivel se numesc electroni de valență. Numărul de electroni de valență determină comportamentul atomului în legătură cu alți atomi. Atomii au tendința de a reacționa chimic unii cu alții într-un mod care le-ar umple (sau le-ar goli) stratul de valență.^[89] De exemplu, transferul unui singur electron între atomi este o aproximare utilă pentru legăturile care se formează între atomi care au un singur electron mai mult decât stratul exterior complet, și un altul căruia îi lipsește un electron pentru a-și completa ultimul strat, astfel cum apare în compusul clorură de sodiu și în alte săruri ionice. Cu toate acestea, multe elemente prezintă valențe multiple, sau tendința de a pune în comun diferite numere de electroni în cadrul diferiților compuși. Astfel, legăturile chimice dintre aceste elemente iau multe forme de punere în comun de electroni, care sunt mai mult decât simple transferuri de electroni. Exemplele includ elementul carbon și compușii organici.^[90]

Elementele chimice sunt adesea afișate într-un tabel periodic care pune în evidență proprietăți chimice recurente. Elementele cu același număr de electroni de valență formează un grup care este aliniat pe aceeași coloană a tabelului. (Rândurile orizontale corespund cu umplerea unui anume nivel cuantic de electroni.) Elementele din extremitatea dreaptă au stratul exterior complet ocupat cu electroni, ceea ce le face să fie inerte din punct de vedere chimic. Ele se numesc gaze nobile.^[91][92]

Cantitățile de atomi se găsesc în diferite stări ale materiei care depind de condițiile fizice, cum ar fi temperatura și presiunea. Variind aceste condiții, materialele pot trece între stările solidă, lichidă, gazoasă și de plasmă.^[93] În cadrul unei stări, un material poate exista în forme alotropice diferite. Un exemplu în acest sens îl constituie carbonul solid, care poate exista și amorf, ca grafit, și cristalizat, ca diamant.^[94] Și gazele pot avea forme alotropice multiple, precum dioxigenul^⁠(d) și ozonul.

La temperaturi apropiate de zero absolut, atomii pot forma un condensat Bose–Einstein, punct în care efectele mecanicii cuantice, care sunt de obicei observate numai la scară atomică, devin evidente la scară macroscopică.^[95][96] Această colecție suprarăcită de atomi se comportă ca un singur superatom, care poate permite verificări fundamentale ale comportamentelor din mecanica cuantică.^[97]

Microscop cu scanare cu efect tunel este un dispozitiv pentru vizualizarea suprafețelor la nivel atomic. El utilizează fenomenul de tunelare cuantică, care permite particulelor să treacă printr-o barieră care în mod normal ar fi de netrecut. Electronii tunelează prin vid între doi electrozi metalici planari, pe fiecare dintre care se află un atom adsorbit, furnizând o densitate de curent de tunelare care poate fi măsurată. Scanarea unui atom când trece pe lângă celălalt (eșantion) permite trasarea deplasării primului în raport cu separarea laterală pentru un curent constant. Calculul arată măsura în care sunt vizibile imaginile obținute cu microscopul cu efect tunel. Se confirmă faptul că pentru polarizare redusă, microscopul prezintă dimensiunile mediate spațial ale orbitalilor electronici prin niveluri de energie strâns apropiate— nivelul Fermi^⁠(d) densitatea locală de stări^⁠(d).^[98][99]

Un atom poate fi ionizat prin eliminarea unuia dintre electronii săi. Sarcina electrică determină curbarea traiectoriei unui atom atunci când trece printr-un câmp magnetic. Raza cu care traiectoria unui ion este transformată de către câmpul magnetic este determinată de masa atomului. Spectrometrul de masă folosește acest principiu pentru a măsura raportul masă-sarcină electrică^⁠(d) al ionilor. Dacă eșantionul conține mai mulți izotopi, spectrometrul de masă poate determina proporția fiecărui izotop în eșantion prin măsurarea intensității diferitelor fascicule de ioni. Printre tehnicile de vaporizare a atomilor se numără   spectroscopia emisiilor atomice cu plasmă cuplată inductiv^⁠(d) și de spectrometria de masă cu plasmă cuplată inductiv^⁠(d), ambele utilizând plasmă pentru a vaporiza eșantioanele pentru analiză.^[100]

O metodă selectivă spațial este spectroscopia pierderilor de energie electronică^⁠(d), care măsoară pierderea de energie a unui fascicul de electroni într-un microscop electronic cu transmisie^⁠(d) atunci când interacționează cu o parte dintr-un eșantion. Tomograful cu sondă atomică^⁠(d) are o rezoluție sub-nanometrică în 3-D și poate identifica din punct de vedere chimic atomi individuali folosind spectrometria timpului-de-zbor.^[101]

Spectrele stărilor excitate^⁠(d) pot fi utilizate pentru a analiza compoziția atomică a unor stele îndepărtate. Anumite lungimi de undă ale luminii cuprinse în lumina observată de la stele pot fi separate și legate de tranzițiile cuantizate în atomii liberi de gaz. Aceste culori pot fi reproduse folosind o lampă cu descărcare în gaz^⁠(d) care conține același element.^[102] Heliul a fost descoperit în acest fel în spectrul Soarelui cu 23 de ani înainte de a fi identificat pe Pământ.^[103]

Atomii formează aproximativ 4% din totalul densității de energie din Universul observabil, cu o densitate medie de aproximativ 0,25 atomi/m³.^[104] Într-o galaxie, cum ar fi Calea Lactee, atomii au o concentrație mult mai mare, densitatea de materie din mediul interstelar (ISM) variind de la 10⁵ la 10⁹ atomi/m³.^[105] Soarele este considerat a fi în interiorul Bulei Locale, o regiune de gaze puternic ionizate, deci densitatea în regiunea Soarelui este de numai aproximativ 10³ atomi/m³.^[106] Stelele se formează din nori denși în mediul interstelar, și procesele evolutive ale stelelor au ca urmare îmbogățirea constantă a acestui mediu cu elemente mult mai masive decât hidrogenul și heliul. Până la 95% din atomii din Calea Lactee sunt concentrați în interiorul stelelor, iar masa totală a atomilor formează aproximativ 10% din masa galaxiei.^[107] (restul de masă este o materie întunecată necunoscută.)^[108]

Se crede că electronii existau în Univers din primele etape ale Big Bangului. Nucleele atomice se formează în reacțiile de nucleosinteză. În aproximativ trei minute nucleosinteza Big Bangului a produs mare parte din heliul, litiul, și deuteriul din Univers, și, probabil, o parte din beriliu și bor.^{[109][110][111]}

Omniprezența și stabilitatea atomilor se bazează pe energia lor de legătură^⁠(d), ceea ce înseamnă că un atom are o energie mai mică decât un sistem format din nucleu și electroni nelegați. Unde temperatura este mult mai mare decât potențialul de ionizare, materia există sub formă de plasmă—un gaz de ioni încărcați pozitiv (posibil chiar nuclee goale) și electroni. Atunci când temperatura scade sub potențialul de ionizare, atomii devin favorabili din punct de vedere statistic. Atomii (completați cu electroni legați) au ajuns să domine particulele încărcate de la 380.000 de ani după Big Bang—o epocă numită recombinare^⁠(d), atunci când Universul în expansiune s-a răcit suficient pentru a permite electronilor să se atașeze de nuclee.^[112]

De la Big Bang, care nu a produs nici carbon, nici elemente mai grele, nucleele atomice au fost combinate în stele prin procesul de fuziune nucleară pentru a produce mai mult heliu, și (prin intermediul procesului triplu alfa) secvența de elemente de la carbon până la fier.^[113]

Izotopii, cum ar fi litiu-6, precum și unii izotopi de beriliu și bor sunt generați în spațiu prin spalația razelor cosmice^⁠(d).^[114] Acest lucru se întâmplă atunci când un proton cu energie mare lovește un nucleu atomic, provocând extragerea unui număr mare de nucleoni.

Elementele mai grele decât fierul s-au produs în supernove prin procesul R^⁠(d) și în stelele gigante din ramura asimptotică prin procesul S, care implică capturarea de neutroni de către nucleele atomice.^[115] Elemente cum ar fi plumbul s-au format în mare parte prin dezintegrarea radioactivă a elementelor mai grele.^[116]

Cei mai mulți dintre atomii care alcătuiesc Pământul și pe locuitorii săi au fost prezenți, în forma lor actuală, în nebuloasa care s-a contractat dintr-un nor molecular pentru a forma Sistemul Solar. Restul sunt rezultatul dezintegrării radioactive, și proporția lor relativă poate fi folosită pentru a determina vârsta Pământului prin datare radiometrică^⁠(d).^[117][118] Majoritatea heliului din scoarța Pământului (aproximativ 99% din heliul din sondele de gaze, așa cum arată abundența mai scăzută de heliu-3^⁠(d)) este un produs al dezintegrării alfa.^[119]

Există pe Pământ câteva urme de atomi care nu au fost prezenți de la început (adică „neprimordiali”), și care nici nu sunt rezultatul dezintegrărilor radioactive. Carbon-14 este generat continuu de razele cosmice în atmosferă.^[120] Unii atomi de pe Pământ au fost generați artificial, fie în mod deliberat, fie ca produse ale reactoarelor sau exploziilor nucleare.^[121][122] Dintre elementele transuranice—cele cu numere atomice mai mari decât 92—numai plutoniul și neptuniul apar în mod natural pe Pământ.^[123][124] Elementele transuranice au durate de viață radioactivă mai scurte decât vârsta actuală a Pământului^[125] și, astfel, cantitățile identificabile din aceste elemente s-au descompus demult, cu excepția unor urme de plutoniu-244^⁠(d)  depuse probabil de praful cosmic.^[126] Zăcămintele naturale de plutoniu și neptuniu sunt produse prin capturare de neutroni^⁠(d) în minereul de uraniu.^[127]

Pământul conține aproximativ 7050133000000000000♠1.33×10⁵⁰ atomi.^[128] Deși există un număr mic de atomi independenți ai gazelor nobile, cum ar fi argon, neon, heliu, 99% din atmosferă este legată sub formă de molecule, inclusiv dioxid de carbon și molecule diatomice de oxigen și azot. La suprafața Pământului, o majoritate covârșitoare a atomilor se combină pentru a forma diferiți compuși, inclusiv apa, sarea, silicații și oxizii. Atomii se pot combina pentru a crea și materiale care nu sunt alcătuite din molecule discrete, inclusiv cristale lichide și solide sau metale.^[129][130] Această materie atomică formează aranjamente în rețea cărora le lipsește tipul de ordine întreruptă la scară mică asociat materiei moleculare.^[131]

În timp ce izotopii cu numere atomice mai mari decât plumbul (82) sunt cunoscuți a fi radioactivi, a fost propusă o „insulă de stabilitate^⁠(d)” pentru unele elemente cu numere atomice mai mari de 103. Aceste elemente supergrele pot avea un nucleu relativ stabil în raport cu dezintegrarea radioactivă.^[132] Cel mai probabil candidat pentru un atom supergreu stabil, unbihexium, are 126 de protoni și 184 de neutroni.^[133]

Fiecare particulă de materie are o particulă corespondentă de antimaterie cu sarcină electrică opusă. Astfel, pozitronii sunt antielectroni, încărcați pozitiv, iar antiprotonii sunt echivalentul unor protoni cu sarcină negativă. Atunci când materia și antimateria se întâlnesc, ele se anihilează reciproc. Din acest motiv și din cauza unui dezechilibru între numărul de particule de materie și cele de antimaterie, acestea din urmă sunt rare în univers. Primele cauze ale acestui dezechilibru nu sunt încă pe deplin înțelese, deși teoriile bariogenezei^⁠(d) pot oferi o explicație. Ca urmare, nu a fost descoperită în natură antimaterie.^[134][135] Cu toate acestea, în 1996 echivalentul din antimaterie al atomului de hidrogen (antihidrogen) a fost sintetizat la laboratorul CERN din Geneva.^[136][137]

Alți atomi exotici au fost creați prin înlocuirea unuia din protoni, neutroni sau electroni cu alte particule cu aceeași sarcină electrică. De exemplu, un electron poate fi înlocuit cu un miuon mult mai masiv, formând un atom miuonic^⁠(d). Aceste tipuri de atomi pot fi folosite pentru a testa previziuni fundamentale ale fizicii.^{[138][139][140]}

• "Quantum Mechanics and the Structure of Atoms" pe YouTube fizica reale lecție începe la 2:20 în film.
• Freudenrich, Craig C. „How Atoms Work”. How Stuff Works. Arhivat din original la 8 ianuarie 2007. Accesat în 9 ianuarie 2007.  Mai multe valori specificate pentru |nume= și |last= (ajutor)
• „The Atom”. Free High School Science Texts: Physics. Wikibooks. Accesat în 10 iulie 2010.  Mai multe valori specificate pentru |lucrare= și |work= (ajutor)
• Anonymous (2007). „The atom”. Science aid+. Arhivat din original la 22 ianuarie 2010. Accesat în 10 iulie 2010. —un ghid pentru atom pentru adolescenti.
• Anonymous (3 ianuarie 2006). „Atoms and Atomic Structure”. BBC. Arhivat din original la 2 ianuarie 2007. Accesat în 11 ianuarie 2007. 
• Various (3 ianuarie 2006). „Physics 2000, Table of Contents”. University of Colorado. Arhivat din original la 14 ianuarie 2008. Accesat în 11 ianuarie 2008. 
• Various (3 februarie 2006). „What does an atom look like?”. University of Karlsruhe. Arhivat din original la 17 aprilie 2010. Accesat în 12 mai 2008.