Il·lustració de l'àtom d'heli on es mostra elnucli (en rosa) i la distribució delnúvol d'electrons (negre). El nucli (a dalt a la dreta) de l'heli 4 és en realitat simètric esfèricament i s'assembla molt al núvol d'electrons, però en nuclis més complicats aquests no és sempre el cas. La barra negra és la mesura d'unångström (1x10-10 m).
Unàtom és la unitat constituent més petita de lamatèria ordinària que forma unelement químic. Totsòlid,líquid,gas iplasma es compon d'àtoms. Els àtoms són extremament petits i tenen una mida d'aproximadament 100 picòmetres. De fet, són tan diminuts que els intents de predir-ne el comportament per mitjà de lafísica clàssica (tractant-los, per exemple, com si fossinboles de billar) menen a prediccions incorrectes a causa delsefectes quàntics. Gràcies al desenvolupament de la física, els models atòmics han integratprincipis quàntics per poder explicar aquest comportament i predir-lo amb més precisió.
Tot àtom està compost per unnucli i un o méselectrons lligats al nucli. El nucli està fet d'un o mésprotons i, típicament, un nombre similar deneutrons; els protons i neutrons s'anomenennucleons. Més del 99,94% de lamassa de l'àtom està concentrada al nucli. Els protons tenen unacàrrega elèctrica positiva; els electrons, negativa; i els neutrons no en tenen. Si el nombre de protons i electrons és el mateix, llavors l'àtom és elèctricament neutre; en canvi, si té més o menys electrons que protons, té una càrrega negativa o positiva (respectivament) i s'anomenaió.
Els electrons d'un àtom resulten atrets als protons del nucli atòmic per laforça electromagnètica. Els protons i neutrons del nucli s'atrauen entre si, però, per una força diferent, laforça nuclear, que normalment és més forta que la força electromagnètica que repel·leix els protons carregats positivament entre si. En algunes circumstàncies, la força electromagnètica de repulsió esdevé més forta que la nuclear, i els nucleons poden resultar expulsats del nucli, deixant enrere un element diferent: es tracta d'unadesintegració nuclear que resulta en unatransmutació nuclear.
El nombre de protons del nucli defineix a quinelement químic pertany l'àtom: per exemple, tots els àtoms decoure contenen 29 protons. El nombre de neutrons, d'altra banda, defineix l'isòtop de l'element. El nombre d'electrons influeix en les propietatsmagnètiques de l'àtom. Els àtoms es poden unir a un o més altres àtoms mitjançantenllaços químics per formarcompostos químics com ara lesmolècules. La capacitat dels àtoms d'associar-se o dissociar-se és la responsable de la majoria de canvis físics observats a la naturalesa; laquímica és la ciència que estudia aquests canvis.
La idea que la matèria està composta d'unitats separades és un concepte molt antic i que apareix en moltes cultures de l'antiguitat, tals com a Grècia o l'Índia. La paraula «àtom» (del grecἄτομος,atomos, 'indivisible') fou encunyada pelsfilòsofs de l'Antiga GrèciaLeucip i el seu deixebleDemòcrit (ca. 460–ca. 370 aC).[1][2][3][4] Demòcrit sostenia que els àtoms eren infinits en nombre, no creats i eterns, i que les qualitats d'un objecte resultaven de la mena d'àtoms que el componien.[2][3][4] L'atomisme de Demòcrit fou refinat i elaborat pel filòsof posteriorEpicur (341–270 aC).[3][4] Durant labaixa edat mitjana, l'atomisme fou gairebé oblidat a l'Europa occidental, però sobrevisqué dins d'alguns grups de filòsofs islàmics.[3] Durant el segle xii, l'atomisme tornà a ser conegut a l'Europa occidental gràcies a referències trobades en les escriptures descobertes d'Aristòtil.[3]
En el segle xiv, la redescoberta d'obres notables que descrivien ensenyances atomistes –entre les qualsDe rerum natura, deLucreci, iVides i opinions de filòsofs eminents, deDiògenes Laerci– comportà una major atenció del tema.[3] Tanmateix, com que l'atomisme s'associava amb la filosofia de l'epicureisme, la qual contradeia les ensenyances cristianes ortodoxes, la creença en els àtoms no era considerada acceptable.[3] El sacerdot catòlic francèsPierri Gassendi (1592–1655) revisqué l'atomisme epicuri amb modificacions, argüint que els àtoms eren creats per Déu i, encara que extremadament nombrosos, no eren infinits.[3][4] La seva teoria modificada es popularitzà a França gràcies al físicFrançois Bernier (1620–1688) i a Anglaterra gràcies al filòsof naturalistaWalter Charleton (1619–1707).[3] Tant el químicRobert Boyle (1627–1691) com el físicIsaac Newton (1642–1727) definiren l'atomisme i, a finals del segle xvii, esdevingué acceptat per sectors de la comunitat científica.[3]
Diversos àtoms i molècules tal com es mostren a l'obraA New System of Chemical Philosophy deJohn Dalton (1808).
A primeries del segle xix,John Dalton utilitzà el concepte dels àtoms per explicar per què elselements químics sempre reaccionen en proporcions de petits nombres enters (lallei de les proporcions múltiples). Per exemple, existeixen dos tipus d'òxid d'estany: un és 88,1% estany i 11,9% oxigen, i l'altre és 78,1% estany i 21,3% oxigen (òxid d'estany(II) idiòxid d'estany, respectivament): això significa que 100 grams d'estany es combinen amb 13,5 grams o 27 grams d'oxigen. 13,5 i 27 formen una proporció d'1 a 2, que és una proporció de petits nombres enters. Aquest patró comú en química suggerí a Dalton que els elements reaccionen en múltiples d'unitats discretes: és a dir, en altres paraules, àtoms. En el cas dels òxids d'estany, un àtom d'estany es combina amb un o bé dos àtoms d'oxigen.[5]
Dalton també creia que la teoria atòmica podia explicar per què l'aigua absorbeix diferents gasos en diferents proporcions; per exemple, descobrí que l'aigua absorbeixdiòxid de carboni molt millor que no pasnitrogen.[6] Dalton hipotetitzà que això passa a causa de la diferència entre les masses i les configuracions de les partícules de cada gas; les molècules de diòxid de carboni (CO₂) són més grans i pesades que les de nitrogen (N₂).
El 1827, el botànicRobert Brown utilitzà un microscopi per observar grans de pols flotant a l'aigua i descobrí que es movien erràticament, un fenomen que posteriorment es conegué com amoviment brownià. Es creia que això era causat per molècules d'aigua col·lidint amb els grans de pols. El 1905,Albert Einstein provà la realitat d'aquestes molècules i els seus moviments produint el primer anàlisi defísica estadística del moviment brownià.[7][8][9] El físic francèsJean Perrin utilitzà l'obra d'Einstein per determinar experimentalment la massa i dimensió dels àtoms, verificant així lateoria atòmica de Dalton.[10]
L'experiment de Geiger–Marsden A dalt, resultats esperats: partícules alfa passant a través delmodel atòmic de Thomson (omodel del púding de panses) amb una deflexió negligible. A baix, resultats observats: una petita porció de les partícules és deflectada per la càrrega positiva concentrada del nucli.
El físicJ.J. Thomson mesurà la massa deraigs catòdics, cosa que mostrà que estaven fets de partícules, però eren unes 1800 vegades més lleugeres que el més lleuger dels àtoms, l'hidrogen. Per tant, no es tractava d'àtoms, sinó d'una nova partícula, concretament de la primerapartícula subatòmica mai descoberta, que ell anomenàcorpuscle però que posteriorment s'anomenàelectró a causa de les partícules postulades perGeorge Johnstone Stoney el 1874. També mostrà que eren idèntiques a partícules emeses per materialsfotoelèctrics iradioactius.[11] Es reconegué ràpidament que són les partícules que porten elcorrent elèctric en fils metàl·lics, i que porten la càrrega elèctrica negativa dins dels àtoms. Thomson rebé elPremi Nobel de Física de 1906 pel seu treball, el qual donà la volta a la creença que els àtoms eren indivisibles i les partícules més bàsiques de la matèria.[12] Thomson també postulà incorrectament que els electrons de petita massa i carregats negativament estaven distribuïts al voltant de l'àtom en un mar uniforme de càrrega positiva. Això esdevingué conegut com elmodel del púding de panses.
El 1909,Hans Geiger iErnest Marsden, sota la direcció d'Ernest Rutherford, bombardejaren una làmina de metall ambpartícules alfa per observar com es dispersaven. Esperaven que totes passessin directament a través seu amb poca deflexió, ja que el model de Thomson deia que les càrregues a l'àtom són tan difuses que els seus camps elèctrics no podien afectar gaire les partícules; tanmateix, Geiger i Marsden observaren partícules alfa que eren desviades amb angles superiors a 90°, cosa que se suposava que era impossible segons el model de Thomson. Per explicar-ho, Rutherford proposà que la càrrega positiva de l'àtom es concentra en un petit nucli al seu centre.[13]
El 1913 el físicNiels Bohr proposà un model en el qual s'assumia que els electrons d'un àtom orbitaven al voltant del nucli però només ho podien fer en un conjunt finit d'òrbites, i que podien saltar entre aquestes òrbites només en canvis discrets d'energia corresponents a l'absorció o radiació d'un fotó.[16] Aquesta quantització fou utilitzada per explicar per què les òrbites electròniques són estables (ja que normalment les càrregues en acceleració, incloent-hi el moviment circular, perden energia cinètica, que és emesa com a radiació electromagnètica; vegeuRadiació sincrotrònica) i per què els elements absorbeixen i emeten radiació electromagnètica en espectres discrets.[17]
Més tard, el mateix any,Henry Moseley trobà evidència experimental addicional a favor de lateoria de Niels Bohr. Aquests resultats refinaren el model deRutherford iVan de Broek, que proposava que l'àtom conté en el seu nucli un nombre positiu decàrregues nuclears que és igual al seu nombre (atòmic) a la taula periòdica. Fins aquests experiments, no se sabia que elnombre atòmic fos una quantitat física i experimental; que aquest nombre és igual a la càrrega atòmica nuclear roman el model atòmic acceptat avui en dia.[18]
Elsenllaços químics entre àtoms foren explicats perGilbert Newton Lewis el 1916 com les interaccions entre els seus electrons constituents.[19] Com que se sabia que lespropietats químiques dels elements en gran manera es repetien segons lallei periòdica,[20] el 1919 el químic estatunidencIrving Langmuir suggerí que això podia ser explicat si els electrons d'un àtom estiguessin connectats o agrupats d'alguna manera. Es pensà que grups d'electrons ocupaven un conjunt decapes d'electrons al voltant del nucli.[21]
L'experiment de Stern–Gerlach de 1922 aportà més evidència sobre la naturalesa quàntica de les propietats atòmiques. Quan un feix d'àtoms de plata passava a través d'un camp magnètic d'una forma concreta, el feix es dividia d'una manera correlacionada amb el moment angular de la direcció d'un àtom, és a dir, l'espín. Com que la direcció de l'espín inicialment és aleatòria, s'esperaria que el feix es desviés en una direcció aleatòria; ben al contrari, el feix es dividia en dos components direccionals corresponents als espíns atòmics essent orientats amunt o avall respecte al camp magnètic.[22]
El 1925Werner Heisenberg publicà la primera formulació matemàtica consistent de la mecànica quàntica (mecànica matricial).[18] Un any abans, el 1924,Louis de Broglie havia proposat que totes les partícules es comporten fins a cert punt com les ones i, el 1926,Erwin Schrödinger utilitzà aquesta idea per desenvolupar un model matemàtic de l'àtom (mecànica d'ones) que descrivia els electrons com aones tridimensionals i no pas com a partícules puntuals.
Una conseqüència d'utilitzar formes d'ona per a descriure partícules és que és matemàticament impossible obtenir valors precisos tant per laposició com per laquantitat de moviment d'una partícula en un punt concret del temps: això esdevingué conegut com elprincipi d'incertesa, formulat perWerner Heisenberg el 1927.[18] En aquest concepte, per a una precisió donada en mesurar una posició, hom només podia obtenir un interval de possibles valors per la quantitat de moviment, i viceversa.[23] Aquest model fou capaç d'explicar observacions de comportament atòmic que els models anteriors no podien, tals com certs patrons estructurals iespectrals d'àtoms més grans que l'hidrogen. En conseqüència, el model planetari de l'àtom fou descartat en favor del que descrivia zones d'orbitals atòmics al voltant del nucli en les quals un cert electró té més possibilitats de ser observat.[24][25]
El desenvolupament de l'espectròmetre de masses permeté mesurar la massa dels àtoms amb millor precisió. Aquest dispositiu utilitza un imant per corbar la trajectòria d'un feix de ions, i la quantitat de desviació es determina per la proporció entre la massa d'un àtom i la seva càrrega. El químicFrancis William Aston l'utilitzà per mostrar que els isòtops tenien diferents masses. La massa atòmica d'aquests isòtops variava en quantitats enteres, cosa que s'anomena laregla dels nombres sencers.[26] L'explicació per aquests diferents isòtops fou el preludi de la descoberta delneutró, una partícula sense càrrega amb una massa similar a la delprotó, per part del físicJames Chadwick el 1932. Llavors, els isòtops s'explicaren com a elements amb el mateix nombre de protons però diferents nombres de neutrons dins del nucli.[27]
Fissió, física d'alta energia i matèria condensada
El 1938, el químic alemanyOtto Hahn, estudiant de Rutherford, dirigí neutrons contra àtoms d'urani esperant obtenirelements transurànics. En comptes d'això, els seus experiments químics mostraren que obteniabari com a producte.[28][29] Un any més tard,Lise Meitner i el seu nebotOtto Frisch verificaren que els resultats de Hahn foren la primerafissió nuclear experimental.[30][31] El 1944, Hahn rebé elPremi Nobel de Química. Tot i els esforços de Hahn, les contribucions de Meitner i Frisch no foren reconegudes.[32]
A la dècada de 1950, el desenvolupament d'acceleradors de partícules idetectors de partícules millorats permeté als científics estudiar els impactes d'àtoms movent-se a altes energies.[33] Es descobrí que els neutrons i els protons erenhadrons, o compostos de partícules més petites anomenadesquarks. Es desenvolupà elmodel estàndard de física de partícules el qual, fins al moment, ha explicat amb èxit les propietats del nucli en termes d'aquestes partícules subatòmiques i les forces que governen les seves interaccions.[34]
Encara que el vocableàtom designava originàriament una partícula que no pot ser dividida en partícules més petites, en l'ús científic modern l'àtom es compon de diversespartícules subatòmiques. Les partícules constituents de l'àtom són l'electró, elprotó i elneutró; tots tres sónfermions. Tanmateix, l'àtomhidrogen-1 no té neutrons i l'ió hidró no té electrons.
L'electró és, de llarg, la menys massiva d'aquestes partícules amb9,11×10−31 kg, amb unacàrrega elèctrica negativa i una mida que és massa petita per ser mesurada amb les tècniques actualment disponibles.[35] Fou la partícula més lleugera en tenir unamassa en repòs positiva mesurada, fins a la descoberta de la massa delneutrí. En condicions ordinàries, els electrons estan lligats al nucli carregat positivament per l'atracció creada entre càrregues elèctriques oposades. Si l'àtom té més o menys electrons que el seunombre atòmic, llavors esdevé carregat negativament o positiva, respectivament; un àtom carregat s'anomenaió. Els electrons s'han conegut des de les darreries del segle xix, majoritàriament gràcies aJ.J. Thomson.
Els protons tenen una càrrega positiva i una massa 1.836 vegades més gran que la de l'electró, amb un valor de1,6726×10−27 kg. El nombre de protons en un àtom s'anomenanombre atòmic de l'àtom.Ernest Rutherford (1919) observà que el nitrogen, sota un bombardeig de partícules alfa, desprenia el que semblaven nuclis d'hidrogen. El 1920 ja havia acceptat que el nucli d'hidrogen és una partícula diferent dins de l'àtom i l'anomenàprotó.
Els neutrons no tenen càrrega elèctrica i tenen una massa lliure 1.839 vegades més gran que l'electró,[36] és a dir, de1,6929×10−27 kg, la més gran de les tres partícules constituents, però pot resultar reduïda a causa de l'energia d'enllaç nuclear. Els protons i neutrons (coneguts col·lectivament com anucleons) tenen dimensions comparables (de l'ordre de2,5×10−15 m) encara que la «superfície» d'aquestes partícules no està clarament definida.[37] El neutró fou descobert el 1932 pel físic anglèsJames Chadwick.
En elmodel estàndard de física, els electrons són realment partícules elementals sense estructura interna. Tanmateix, tant els protons com els neutrons són partícules compostes departícules elementals anomenadesquarks. Hi ha dos tipus de quarks en els àtoms, i cadascun té una càrrega elèctrica fraccional. Els protons són compostos per dosquarks dalt (cadascun amb una càrrega de +2/3) i unquark baix (amb una càrrega de −1/3); els neutrons, d'altra banda, estan formats per un quark dalt i dos quarks baixos. Aquesta distinció explica la diferència de massa i càrrega entre les dues partícules.[38][39]
Els quarks es mantenen units per lainteracció forta (o força forta), la qual és mediada pergluons. Els protons i neutrons, al seu torn, es mantenen junts l'un amb l'altre al nucli per laforça nuclear, que és un residu de la força forta amb unes propietats d'abast una mica diferents. El gluó és un membre de la família delsbosons de gauge, que són partícules elementals que fan de mediadores de forces físiques.[38][39]
L'energia d'enllaç necessària perquè un nucleó s'escapi del nucli, per a diversos isòtops
Tots els protons i neutrons de l'àtom constitueixen un petitnucli atòmic, i col·lectivament s'anomenennucleons. El radi d'un nucli és aproximadament igual a 1,07 3√Afm, onA és el nombre total de nucleons.[40] Aquest valor és molt més petit que el radi de l'àtom, que és de l'ordre de 10⁵ fm. Els nucleons resten enllaçats per un potencial d'atracció de curt abast anomenatforça forta residual. A distàncies menors de 2,5 fm, aquesta força és molt més potent que laforça electroestàtica que fa que els protons, de càrrega positiva, es repel·leixin entre si.[41]
Els àtoms d'un mateixelement químic tenen el mateix nombre de protons, anomenat elnombre atòmic. Dins d'un element concret, el nombre de neutrons pot variar: això determina l'isòtop de l'element. El nombre total de protons i neutrons determina elnúclid. El nombre de neutrons en relació al de protons determina l'estabilitat del nucli: certs isòtops pateixen unadesintegració radioactiva.[42]
El protó, l'electró i el neutró són classificats com afermions. Els fermions obeeixen elprincipi d'exclusió de Pauli, el qual prohibeix que fermionsidèntics, tals com protons múltiples, ocupin el mateix estat quàntic al mateix temps. Per tant, qualsevol protó en el nucli ha d'ocupar un estat quàntic diferent de tots els altres protons; això mateix aplica a tots els neutrons del nucli i a tots els electrons del núvol electrònic.[43]
Un nucli que té un nombre diferent de protons que de neutrons pot, potencialment, caure a un estat d'energia inferior per mitjà d'una desintegració radioactiva, la qual causa que ambdós nombres s'apropin. Com a resultat, els àtoms amb un nombre de protons igual que d'electrons són més estables davant la desintegració. Tanmateix, com més alt és el nombre atòmic, la repulsió mútua dels protons requereix una proporció més alta de neutrons per mantenir l'estabilitat del nucli, la qual cosa modifica lleugerament aquesta tendència d'igual nombre de protons i neutrons.[43]
Il·lustració d'un procés de fusió nuclear que forma un nucli de deuteri, consistent en un protó i un neutró, a partir de dosprotons. Unpositró (e+) —un electró d'antimatèria— és emès juntament amb un electróneutrí.
La quantitat de protons i neutrons del nucli es pot modificar, encara que fer-ho requereix energies molt elevades a causa de la força forta. Lafusió nuclear té lloc quan múltiples partícules atòmiques s'uneixen per formar un nucli més pesant, tal com mitjançant la col·lisió energètica de dos nuclis. Per exemple, al nucli del Sol els protons requereixen energies de 3-10 keV per sobreposar-se a la seva repulsió mútua –labarrera de Coulomb– i fusionar-se en un sol nucli.[44] Lafissió nuclear és el procés oposat: causa que un nucli es divideixi en dos nuclis més petits, normalment mitjançantdesintegració radioactiva. El nucli també pot ser modificat mitjançant el bombardeig amb partícules subatòmiques d'alta energia o fotons. Si això modifica el nombre de protons en un nucli, l'àtom canvia a un element químic diferent.[45][46]
Si la massa del nucli després d'una reacció de fusió és menor que la suma de les masses de les partícules separades, llavors la diferència entre aquests dos valors pot ser emès com un tipus utilitzable d'energia (tal com unraig gamma, o l'energia cinètica d'unapartícula beta), com es descriu a la fórmula d'equivalència massa-energia d'Albert Einstein,E = mc², onm és la pèrdua de massa ic és lavelocitat de la llum. Aquest dèficit és part de l'energia d'enllaç del nou nucli, i és la pèrdua d'energia no recuperable que causa que les partícules fusionades romanguin juntes en un estat que requereix aquesta energia per a separar-se.[47]
La fusió de dos nuclis que creen nuclis més grans de nombre atòmic més petit que el delferro i elníquel —un nombre de nucleons total al voltant de 60— és normalment unprocés exotèrmic que allibera més energia de la necessària per ajuntar-los.[48] És aquest procés d'alliberament d'energia el que converteix els processos de fusió nuclear en elsestels en reaccions autosostingudes. Pel que fa a nuclis més pesants, l'energia d'enllaç per nucleó en el nucli comença a decréixer: això significa que els processos de fusió que produeixen nuclis de nombres atòmics més grans de 26, imasses atòmiques més altes de 60 sónprocessos endotèrmics. Aquests nuclis més massius no poden patir una reacció de fusió que produeixi energia que pugui sostenir l'equilibri hidroestàtic d'un estel.[43]
Unpou de potencial que mostra, segons lamecànica clàssica, l'energia mínimaV(x) necessària per assolir la posicióx. Clàssicament, una partícula amb energiaE resta restringida a un rang de posicions entrex1 ix₂.
Els electrons en un àtom són atrets als protons del nucli per laforça electromagnètica. Aquesta força lliga els electrons dins d'unpou de potencial electroestàtic que envolta els nuclis més petits, la qual cosa significa que és necessària una font d'energia externa perquè l'electró pugui escapar. Com més proper és un electró al nucli, més gran és la força d'atracció; per tant, els electrons lligats prop del centre del pou de potencial requereixen més energia per escapar que aquells que estan més separats.
Els electrons, com altres partícules, tenen propietatsde partícula i d'ona. El núvol d'electrons és una regió dins del pou de potencial on cada electró forma un tipus d'ona estacionària tridimensional (una forma d'ona que no es mou en relació al nucli). Aquest comportament ve definit per unorbital atòmic, una funció matemàtica que caracteritza la probabilitat que un electró sembli estar en una ubicació concreta quan es mesura la seva posició.[49] Tan sols existeix un conjunt discret (o quantititzat) d'aquests orbitals al voltant del nucli, ja que altres possibles patrons d'ona es desintegren ràpidament cap a una forma més estable.[50] Els orbitals poden tenir una o més estructures d'anell o de node, i difereixen l'un de l'altre en mida, forma i orientació.[51]
Funcions d'ona dels primers cinc orbitals atòmics. Els tres orbitals 2p mostren cadascun un solnode angular que té una orientació i un mínim al centre.Com es construeixen els àtoms a partir d'orbitals atòmics i com s'enllacen amb lataula periòdica.
Cada orbital atòmic correspon a unnivell d'energia concret de l'electró. L'electró pot canviar el seu estat a un nivell superior d'energia absorbint unfotó amb suficient energia per alçar-lo al nou estat quàntic. De manera similar, mitjançantemissió espontània, un electró en un estat d'energia superior pot baixar a un estat d'energia inferior radiant l'excés d'energia en forma de fotó. Aquests valors d'energia característics, definits per les diferències de les energies entre estats quàntics, són els responsables de leslínies atòmiques espectrals.[50]
La quantitat d'energia necessària per sostreure o afegir un electró —l'energia d'enllaç electrònica— és molt menor que l'energia d'enllaç de nucleons. Per exemple, calen només 13,6 eV per sostreure un electró enestat estacionari d'un àtom d'hidrogen,[52] en comparació amb 2,23 milions eV per dividir un nucli dedeuteri.[53] Els àtoms sónelèctricament neutres si tenen un nombre idèntic de protons i d'electrons; aquells que tenen un dèficit o excedent d'electrons s'anomenenions. Els electrons més allunyats del nucli poden ser transferits a altres àtoms propers o ser compartits entre àtoms; mitjançant aquest mecanisme, els àtoms poden constituirenllaços químics per formarmolècules i altres tipus decompostos químics tals comcristallsiònics ocovalents.[54]
Per definició, qualssevol dos àtoms amb un nombre idèntic deprotons en el seu nucli pertanyen al mateixelement químic. Els àtoms amb igual nombre de protons però diferent nombre deneutrons són isòtops diferents del mateix element. Per exemple, tots els àtoms d'hidrogen admeten exactament un protó, però n'existeixen isòtops sense neutrons (com l'hidrogen-1, de llarg, la forma més comuna,[55] anomenada proti), amb un neutró (deuteri), dos neutrons (triti) imés de dos neutrons. Els elements coneguts formen un conjunt de nombres atòmics, des de l'element uniprotonalhidrogen fins al de 118 protons, l'oganessó.[56] Tots els isòtops coneguts d'elements de nombre atòmic més gran que 82 són radioactius, encara que la radioactivitat de l'element 83 (bismut) és tan petita que a la pràctica és negligible.[57][58]
A laTerra es poden trobar uns 339 núclids que ocorren naturalment,[59] dels quals 254 (aproximadament el 75%) no s'ha observat que es desintegrin i, en conseqüència, se'ls anomena «isòtops estables». Això no obstant, només 90 d'aquests núclids són estables a totes les desintegracions, fins i tot en la teoria; els altres 164 no s'ha observat que es desintegrin, encara que en teoria és energèticament possible. Aquests també es classifiquen formalment com a «estables». 34 núclids radioactius addicionals tenen semivides superiors als 80 milions d'anys, i han perdurat prou temps per haver estat presents des del naixement delsistema solar. Aquesta col·lecció de 288 núclids es coneix com anúclids primordials. Finalment, es coneixen 51 núclids de vida curta que ocorren naturalment com a productes fill de la desintegració dels núclids primordials (tals com elradi de l'urani) o com a productes de processos energètics naturals terrestres, tals com el bombardeig de raigs (per exemple, elcarboni-14).[60]
Existeix com a mínim unisòtop estable per a 80 elements químics. Com a regla general, només hi ha uns pocs isòtops estables per cadascun: de mitjana, 3,2 isòtops estables per element. 26 elements només tenen un isòtop estable. El nombre d'isòtops estables més gran observat per qualsevol element és de 10 en l'estany. Els elementstecneci (43),prometi (61) i tots els que estan més enllà delbismut (83) no tenen isòtops estables.[61]
L'estabilitat dels isòtops es veu afectada per la proporció de protons a neutrons, així com per la presència de certs «nombres màgics» de neutrons o protons que representen capes quàntiques tancades i completes. Aquestes capes quàntiques corresponen a un conjunt de nivells d'energia dins delmodel de capes del nucli; les capes completes, tals com la capa completa de 50 protons de l'estany, confereixen una estabilitat poc usual al núclid. Dels 254 núclids estables coneguts, només quatre tenen un nombre imparell de protons i també un nombre imparell de neutrons: l'hidrogen-2 (deuteri), elliti-6, elbor-10 i elnitrogen-14. D'altra banda, només quatre núclids imparell-imparell radioactius que ocorren naturalment tenen una semivida de més de mil milions d'anys: elpotassi-40, elvanadi-50, ellantani-138 i eltàntal-180m. La majoria de núclids imparell-imparell són altament inestables respecte a ladesintegració beta, perquè els productes de la desintegració són parell-parell i, per tant, enllaçats més fortament a causa delsefectes d'emparellament nuclear.[61]
La major part de la massa de l'àtom prové dels protons i neutrons que el componen. El nombre total d'aquestes dues partícules (anomenades "nucleons") en un cert àtom s'anomenanombre màssic. Aquest valor és un nombre enter positiu iadimensional (no té dimensió de massa), perquè expressa un comptatge. Un exemple de l'ús del nombre màssic és «carboni-12», àtom que té 12 nucleons (sis protons i sis neutrons).
Lamassa d'un àtom en repòs s'expressa sovint utilitzant launitat de massa atòmica unificada (u), també anomenada dalton (Da). Aquesta unitat es defineix com la dotzena part de la massa de l'àtom neutre lliure decarboni-12, la qual cosa és aproximadament1,66×10−27 kg.[62] L'hidrogen-1 (l'isòtop més lleuger de l'hidrogen, que també és el núclid amb la massa més petita) té una massa atòmica d'1,007825 u.[63] El valor d'aquest nombre s'anomenamassa atòmica. Un cert àtom té una massa atòmica aproximadament igual (dins de l'1%) al seu nombre màssic multiplicat per la unitat de massa atòmica (per exemple, la massa d'un àtom de nitrogen-14 és aproximadament 14 u). Tanmateix, aquest nombre no és mai exactament un enter excepte en el cas delcarboni-12 (vegeu a sota).[64] L'àtom estable més pesant és elplom-208,[57] amb una massa de207,9766521 u.[65]
Com que fins i tot els àtoms més massius són, de lluny, massa lleugers per treballar-hi directament, els químics utilitzen en comptes la unitat delmol. Un mol d'àtoms de qualsevol element sempre té el mateix nombre d'àtoms (al voltant de laconstant d'Avogadro,6,022×1023). Aquest nombre fou escollit de tal manera que si un element té una massa atòmica d'1 u, un mol d'àtoms d'aquest element té una massa propera a un gram. A causa de la definició de launitat de massa atòmica unificada, cada àtom de carboni-12 té una massa atòmica exactament de 12 u i, per tant, un mol d'àtoms de carboni-12 pesa exactament 0,012 kg.[62]
Els àtoms no tenen una frontera exterior ben definida, per la qual cosa les seves dimensions normalment es descriuen en termes d'unradi atòmic. Això és una mesura de la distància fins a la qual el núvol d'electrons s'estén respecte al nucli.[66] Això no obstant, això assumeix que l'àtom presenta una forma esfèrica, la qual cosa només ocorre quan es troben al buit o a l'espai lliure. Els radis atòmics es poden derivar de les distàncies entre dos nuclis quan els dos àtoms estan enllaçats per unenllaç químic. El radi varia amb la localització de l'àtom a la taula periòdica, el tipus d'enllaç químic, el nombre d'àtoms veïns (nombre de coordinació) i una propietatmecànica quàntica coneguda com aespín.[67] A la taula periòdica dels elements, la mida de l'àtom tendeix a augmentar quan es baixa per les columnes, però es redueix quan es mou cap a la dreta a les files.[68] Conseqüentment, l'àtom conegut més petit és el de l'heli, amb un radi de 32 pm, mentre que un dels més grans és el delcesi, amb 225 pm.[69]
Quan està sotmès a forces externes, com per exemplecamps elèctrics, la forma de l'àtom es pot desviar de lasimetria esfèrica. La deformació depèn de la magnitud del camp i del tipus orbitals dels electrons de la capa més externa, tal com mostren les consideracions deteoria de grups. Les desviacions esfèriques es poden obtenir, per exemple, encristalls, en els quals poden ocórrer grans camps cristall-elèctrics en llocs d'entramat depoca simetria.[70][71] S'ha demostrat que ocorren deformacionsel·lipsoides significatives en ions sulfur[72] i ionscalcogen[73] en compostos de tipuspirita.
Les dimensions atòmiques són milers de vegades més petites que leslongituds d'ona de lallum (400–700 nm), per la qual cosa no poden ser vistes mitjançant unmicroscopi òptic. Tanmateix, els àtoms individuals es poden veure mitjançant unmicroscopi d'efecte túnel. Per visualitzar la menudesa de l'àtom, es pot comparar amb un cabell humà típic, que té un gruix equivalent a 1 milió d'àtoms de carboni.[74] Una sola gota d'aigua conté uns2×1021 àtoms d'oxigen i el doble d'hidrogen.[75] Undiamant d'unquirat d'una massa de2×10−4 kg conté uns 1022 àtoms de carboni.[nota 1] Si es magnifiqués una poma a la mida de la Terra, llavors els àtoms de la poma tindrien, aproximadament, la mida de la poma original.[76]
Aquest diagrama mostra lasemivida (T½) de diversos isòtops amb Z protons i N neutrons.
Tot element té un isòtop o més amb nuclis inestables que estan subjectes a la desintegració radioactiva, la qual causa que el nucli emeti partícules o radiació electromagnètica. La radioactivitat pot ocórrer quan el radi d'un nucli és gran en comparació amb el radi de la força forta, la qual només actua en distàncies més grans de l'ordre d'1 fm.[77]
Les formes més comunes de desintegració radioactiva són:[78][79]
Ladesintegració alfa: aquest procés és causat quan el nucli emet una partícula alfa, que és un nucli d'heli consistent en dos protons i dos neutrons. El resultat d'aquesta emissió és un nou element denombre atòmic inferior.
Ladesintegració beta (icaptura electrònica): aquests processos són regulats per laforça feble, i resulten de la transformació d'un neutró en un protó, o d'un protó en un neutró. La transició de neutró a protó va acompanyada de l'emissió d'unelectró i d'unantineutrí, mentre que la transició de neutró a protó (excepte en el cas de la captura electrònica) causa l'emissió d'unpositró i d'unneutrí. Les emissions d'electró o positró s'anomenen partícules beta. La desintegració beta bé augmenta o bé fa baixar el nombre atòmic del nucli en una unitat. La captura electrònica és més comuna que l'emissió de positró, ja que requereix menys energia; en aquest tipus de desintegració, un electró és absorbit pel nucli, en comptes que un positró sigui emès del nucli. En el procés també s'emet un neutró, i un protó canvia a neutró.
Ladesintegració gamma: aquest procés resulta d'un canvi en el nivell energètic del nucli a un estat inferior, cosa que resulta en l'emissió deradiació electromagnètica. L'estat excitat d'un nucli que resulta en desintegració gamma normalment ocorre a continuació de l'emissió d'una partícula alfa o beta; per tant, la desintegració gamma també normalment és a continuació de l'alfa o la beta.
Altres tipus més rars dedesintegració radioactiva inclouen l'expulsió de neutrons, protons o clústers denucleons d'un nucli, o més d'unapartícula beta. Un anàleg de l'emissió gamma que permet que nuclis excitats perdin energia d'una manera diferent és laconversió interna, un procés que produeix electrons d'alta velocitat que no són raigs beta, seguits de la producció de fotons d'alta energia que no són raigs gamma. Alguns nuclis grans explosionen en dos o més fragments carregats, de masses variants, més uns quants neutrons en una desintegració anomenadafissió nuclear espontània.
Cadaisòtop radioactiu té un període de desintegració característic –lasemivida– que ve determinat per la quantitat de temps necessària perquè es desintegri la meitat d'una mostra. Aquest és un procés dedesintegració exponencial que fa decréixer constantment la proporció de l'isòtop romanent en un 50% cada semivida; per exemple, després que hagin passat dues semivides, només queda present el 25% de l'isòtop.[77]
Les partícules elementals posseeixen una propietat mecanicoquàntica intrínseca coneguda com aespín. Aquesta propietat és anàloga almoment angular d'un objecte giravoltant al voltant del seucentre de masses, encara que, estrictament parlant, aquestes partícules són considerades puntuals i no es pot dir que rotin. L'espín es mesura en unitats de laconstant de Planck reduïda (ħ); els electrons, protons i neutrons tenen tots un espín ½ ħ, o "espín-½". En un àtom, els electrons en moviment al voltant delnucli posseeixen un moment angular orbital a més a més del seu espín, mentre que el mateix nucli posseeix moment angular a causa del seu espín nuclear.[80]
Elcamp magnètic produït per un àtom –el seumoment magnètic– ve determinat per aquestes diferents formes de moment angular, d'igual manera que un objecte carregat que rota, en mecànica clàssica, produeix un camp magnètic. Això no obstant, la contribució més dominant prové de l'espín electrònic. A causa de la naturalesa dels electrons, que obeeixen elprincipi d'exclusió de Pauli segons el qual no se'n poden trobar dos en el mateixestat quàntic, els electrons enllaçats s'aparellen l'un amb l'altre, amb un membre de cada parell d'espín tal que es cancel·len l'un amb l'altre; això redueix el moment dipolar magnètic total a zero en alguns àtoms amb un nombre d'electrons parell.[81]
En elementsferromagnètics tals com el ferro, el cobalt o el níquel, un nombre imparell d'electrons fa que en quedi un sense aparellar i, per tant, hi hagi un moment magnètic net total. Els orbitals d'àtoms veïns se sobreposen i s'assoleix un estat d'energia inferior quan els espíns dels electrons sense aparellar s'alineen: es tracta d'un procés espontani conegut com ainteracció d'intercanvi. Quan els moments magnètics dels àtoms ferromagnètics s'alineen, el material pot produir un camp macroscòpic mesurable. D'altra banda, els materialsparamagnètics tenen àtoms amb moments magnètics que s'alineen en direccions aleatòries quan no hi ha un camp magnètic present, però els moments magnètics dels àtoms individuals s'alineen en presència d'un camp.[81][82]
El nucli d'un àtom no té espín quan té nombres parells tant de neutrons com de protons, però per altres casos de nombres imparells el nucli pot tenir espín. Normalment, el nuclis amb espín s'alineen en direccions aleatòries a causa de l'equilibri tèrmic. Tanmateix, en certs elements (tals com elxenó-129) és possiblepolaritzar una proporció significativa dels estats d'espín nuclears de tal manera que s'alineïn tots en la mateixa direcció: es tracta d'una condició anomenadahiperpolarització que té aplicacions importants enimatge per ressonància magnètica.[83][84]
Aquests nivells energètics (no estan a escala) són suficients per a estats fonamentals d'elements fins alcadmi (5s² 4d¹⁰).
L'energia potencial d'un electró d'un àtom és negativa. La seva dependència de la posició arriba al mínim (envalor absolut, màxim) dins del nucli, i s'esvaeix quan la distància respecte aquests'acosta a l'infinit, aproximadament enproporcionalitat inversa respecte a la distància. En el model mecanicoquàntic, un electró enllaçat només pot ocupar un cert conjunt d'estats centrats al nucli, i cada estat correspon a unnivell energètic específic (vegeuEquació de Schrödinger per una explicació teòrica). Un nivell energètic es pot mesurar per laquantitat d'energia necessària per separar l'electró de l'àtom, mesura que se sol donar enelectrons-volt (eV). L'estat energètic més baix d'un electró enllaçat s'anomenaestat fonamental o estacionari, mentre que una transició electrònica a nivells superiors resulta en un estat excitat.[85] L'energia de l'electró creix quann creix, ja que la distància (mitjana) al nucli augmenta. La dependència de l'energia respecte elnombre quàntic azimutal (ℓ) no és causada pelpotencial electroestàtic del nucli, sinó per la interacció entre electrons.
Per tal que un electrótransiti entre dos estats diferents com, per exemple, de l'estat fonamental al primer nivell d'excitació (ionització),ha d'absorbir o emetre unfotó a una energia que coincideixi amb el potencial energètic entre aquests dos nivells, segons el model deNiels Bohr, que es pot calcular amb precisió mitjançant l'equació de Schrödinger. Els electrons salten entre orbitals com si fossin una partícula: per exemple, si un sol fotó "ataca" els electrons, llavors un sol electró canvia d'estat en resposta al fotó (vegeuOrbital atòmic).
L'energia d'un fotó emès és proporcional a la sevafreqüència, per la qual cosa aquests nivells específics d'energia apareixen com a bandes diferenciades a l'espectre electromagnètic[86] Cada element posseeix un espectre característic que pot dependre de la càrrega nuclear, les subcapes emplenades amb electrons, les interaccions electromagnètiques entre aquests i altres factors.[87]
Un exemple de les línies d'absorció d'un espectre electromagnètic
Quan unespectre d'energia continu és passat a través de gas o plasma, alguns dels fotons són absorbits per àtoms, la qual cosa fa que els electrons canviïn el seu nivell energètic. Aquests electrons excitats que romanen enllaçats al seu àtom emeten espontàniament aquesta energia com a fotó, viatjant en una direcció aleatòria i, per tant, cauen a nivells d'energia més baixos. Els àtoms es comporten, doncs, com un filtre que forma una sèrie debandes d'absorció fosques en la producció d'energia.[nota 2] Les mesures espectroscòpiques de la magnitud i amplada de leslínies atòmiques espectrals permeten determinar la composició i propietats físiques d'una substància.[88]
Un examen de les línies espectrals revela que algunes mostren un desdoblament d'estructura fina. Això ocorre a causa de l'acoblament espín-òrbita, que és una interacció entre l'espín i el moviment de l'electró més extern.[89] Quan un àtom es troba en un camp magnètic extern, les línies espectrals se separen en tres o més components en un fenomen conegut com aefecte Zeeman. Això es causat per la interacció del camp magnètic amb el moment magnètic de l'àtom i els seus electrons. Alguns àtoms poden tenir múltiplesconfiguracions electròniques amb el mateix nivell energètic i, per tant, apareixen com una sola línia espectral. La interacció del camp magnètic amb l'àtom desplaça aquestes configuracions electròniques a nivells energètics lleugerament diferents, cosa que resulta en múltiples línies espectrals.[90] La presència d'uncamp elèctric extern pot causar un desplaçament i separació de línies espectrals comparable modificant els nivells energètics dels electrons, un fenomen anomenatefecte Stark.[91]
Si un electró enllaçat és en un estat excitat, un fotó que interaccioni amb l'energia adequada pot causar unaemissió estimulada d'un fotó amb un nivell energètic equivalent. Perquè això ocorri, l'electró ha de caure a un nivell energètic inferior que tingui una diferència d'energia coincident amb l'energia del fotó que interacciona. El fotó emès i el fotó es mouen llavors en paral·lel i amb fases corresponents; és a dir, els patrons d'ona dels dos fotons estan sincronitzats. Aquesta propietat física s'utilitza per fabricarlàsers, els quals emeten un feix coherent d'energia lluminosa en una banda de freqüència prima.[92]
La valència és el poder combinatori d'un element. Es defineix com el nombre d'àtoms d'hidrogen que podenenllaçar-se amb un àtom d'aquest o ser substituïts per ell.[93] La capa d'electrons més externa d'un àtom sense combinar es coneix com acapa de valència, i els electrons que s'hi troben s'anomenenelectrons de valència. El nombre d'electrons de valència determina el comportament d'enllaç amb altres àtoms. Els àtoms tendeixen areaccionar químicament els uns amb els altres de manera que s'emplenin (o es buidin) les seves capes de valència.[94] Per exemple, una transferència d'un sol electró entre àtoms és una aproximació útil dels enllaços que es formen entre àtoms que tenen un electró més que una capa complerta, i altres que els falta un electró per tenir una capa complerta: això ocorre, per exemple, amb elclorur de sodi i altres sals químiques iòniques. Tanmateix, molts elements tenen múltiples valències, o tendències a compartir diferents nombres d'electrons en diferents compostos; com a conseqüència, l'enllaç químic entre aquests elements pren moltes formes de compartició d'electrons que són més que simples transferències d'aquests. Exemples inclouen l'elementcarboni i elscompostos orgànics.[95]
Elselements químics se solen ordenar en unataula periòdica disposada de tal manera que s'hi mostren lespropietats químiques recurrents, i els elements amb el mateix nombre d'electrons de valència formen ungrup que es troba alineat en la mateixa columna de la taula.[nota 3] Els elements que es troben a la dreta del tot de la taula tenen la seva capa externa emplenada completament d'electrons, cosa que els converteix en elements químicament inerts: són elsgasos nobles.[96][97]
Els àtoms es troben en diferents estats de la matèria, els quals depenen de les condicions físiques de l'ambient, tals com latemperatura i lapressió. Variant aquestes condicions, els materials poden transitar entresòlids,líquids,gasos iplasmes.[98] Dins d'un mateix estat, un material pot també existir en diferentsal·lòtrops. Un exemple d'això n'és el carboni sòlid, que pot existir com agrafit o com adiamant.[99] També existeixen al·lòtrops gasosos, com eldioxigen i l'ozó.
A temperatures properes alzero absolut, els àtoms poden formar uncondensat de Bose-Einstein, punt en el qual els efectes mecanicoquàntics, que normalment només s'observen a escala atòmica, esdevenen aparents a escala macroscòpica.[100][101] Aquesta col·lecció d'àtoms superrefredada es comporta com unsuperàtom, el qual permet fer comprovacions fonamentals de comportament mecanicoquàntic.[102]
Elmicroscopi de rastreig d'efecte túnel és un aparell que serveix per visualitzar superfícies a escala atòmica. Es basa en l'efecte túnel, un fenomen que permet a les partícules travessar una barrera que en condicions normals no podrien superar. Els electrons passen pel buit que hi ha entre dos elèctrodes de metall planar, cadascun dels quals té un àtom enadsorció, i generen una densitat de corrent per efecte túnel que es pot mesurar. El rastreig d'un àtom (punta) quan passa al costat de l'altre (mostra) permet traçar el desplaçament de la punta en comparació amb la separació lateral per a un corrent constant. El càlcul indica fins a quin punt són visibles les imatges de microscòpia de rastreig d'efecte túnel d'un àtom individual, a més de confirmar que, amb poc biaix, el microscopi mostra les dimensions mitjanades en l'espai dels orbitals electrònics a través de nivells d'energia molt compactats: ladensitat local d'estats alnivell de Fermi.[103][104]
Els espectres d'estats excitats es poden utilitzar per analitzar la composició atòmica d'estels distants. Leslongituds d'ona de llum específiques contingudes en la llum observada dels estels es pot destriar i relacionar amb les transicions quantititzades d'àtoms de gas lliure. Aquests colors poden ser replicats utilitzant unalàmpada de descàrrega que contingui el mateix element.[107] L'heli fou descobert d'aquesta manera en l'espectre del Sol 23 anys abans de ser trobat a la Terra.[108]
Els àtoms constitueixen al voltant d'un 4% del total de la densitat d'energia de l'univers observable, amb una densitat mitjana d'uns 0,25 àtoms/m³.[109] Dins d'una galàxia tal com laVia Làctia, els àtoms tenen una concentració molt superior, amb una densitat de matèria en elmedi interestel·lar que va dels 10⁵ fins als 10⁹ àtoms/m³.[110] Es creu que el Sol es troba dins de laBombolla Local, una regió de gas altament ionitzat, de tal manera que la densitat en les regió propera a l'astre és només d'uns 10³ àtoms/m³.[111] Els estels es formen a partir de núvols densos del medi interestel·lar; els processos evolutius dels estels tenen com a resultat un enriquiment regular d'aquest medi amb elements més massius que l'hidrogen i l'heli. Fins a un 95% dels àtoms de la Via Làctia estan concentrats dins d'estels, i la massa total dels àtoms suma aproximadament un 10% de la massa de la galàxia.[112][nota 4][113]
La ubiqüitat i estabilitat dels àtoms depèn de la sevaenergia d'enllaç, la qual cosa significa que un àtom té una energia menor que un sistema desunit de nucli i electrons. On latemperatura és molt superior que elpotencial d'ionització, la matèria existeix en forma deplasma –un gas de ions carregats positivament (possiblement, nuclis sols) i electrons. Quan la temperatura cau per sota del potencial de ionització, els àtoms esdevenenestadísticament favorables. Els àtoms (complets amb electrons enllaçats) esdevingueren dominants sobre les partícules carregades elèctricament 380.000 anys després del big-bang, en un moment anomenatrecombinació, en el qual l'univers en expansió es refredà prou com per permetre que els electrons s'unissin als nuclis.[117]
Des del big-bang, en el qual no es produícarboni ni elements més pesants, els nuclis atòmics s'han combinat dins delsestels mitjançant el procés defusió nuclear per produir més àtoms d'heli i, gràcies alprocés triple-alfa, la seqüència d'elements des del carboni fins alferro (vegeuNucleosíntesi estel·lar per a més detalls).[118]
Els isòtops tals com elliti-6, així com alguns del beril·li i del bor, es generen a l'espai mitjançant l'espal·lació de raigs còsmics.[119] Això té lloc que un protó d'alta energia col·lisiona amb un nucli atòmic, cosa que fa que s'expulsin grans nombres de núclids.
Els elements més pesants que el ferro foren produïts ensupernoves per mitjà delprocés R i enestels BAG per mitjà delprocés S. Ambdós processos comprenen la captura de neutrons per part dels nuclis atòmics.[120] Elements tals com elplom es formaren en gran part a partir de ladesintegració radioactiva d'elements més pesants.[121]
Hi ha alguns àtoms traça a la Terra que no eren presents al principi (és a dir, no són "primordials") ni són resultat de la desintegració radioactiva. Elcarboni-14 és generat contínuament per raigs còsmics a l'atmosfera.[125] Alguns àtoms de la Terra han estat generats artificialment, ja sigui deliberadament o com asubproductes dereactors nuclears o explosions.[126][127] Delselements transurànics –els de nombre atòmic més gran de 92– tan sols elplutoni i elneptuni ocorren de manera natural a la Terra.[128][129] Els elements transurànics tenen temps de vida radioactius més curts que l'edat actual terrestre[130] i, per tant, quantitats identificables d'aquests elements s'han desintegrat des de llavors, amb l'excepció de traces deplutoni 244 dipositades possiblement perpols còsmica.[122] Dipòsits naturals de plutoni i neptuni són produïts percaptura neutrònica enmenes d'urani.[131]
La Terra conté aproximadament1,33×1050 àtoms.[132] Encara que existeix un petit nombre d'àtoms independents degasos nobles –com l'argó, elneó i l'heli–, el 99% de l'atmosfera terrestre conté àtoms agrupats en molècules, entre les quals eldiòxid de carboni ioxigen initrogendiatòmics. A la superfície de la Terra, l'àmplia majoria d'àtoms es combinen per formar compostos diversos, entre els qualsaigua,sal,silicats iòxids. Els àtoms també es poden combinar per crear materials que no consisteixen en molècules discretes, incloent-hi elscristalls imetalls líquids o sòlids.[133][134] Aquesta matèria atòmica forma disposicions en xarxa a les quals manca el tipus particular d'ordre interromput a petita escala associat amb la matèria molecular.[135]
Tot i que se sap que els isòtops de nombre atòmic més alt que 82 (plom) són radioactius, s'ha proposat una «illa d'estabilitat» per alguns elements de nombre atòmic superior al 103. Aquestselements superpesants poden tenir un nucli relativament estable enfront de la desintegració radioactiva.[136] El candidat més probable per ser un àtom superpesant estable, l'unbihexi, té 126 protons i 184 neutrons.[137]
Cada partícula de matèria té una partícula corresponent d'antimatèria de càrrega elèctrica oposada. Per tant, elpositró és unantielectró carregat positivament, i l'antiprotó és l'equivalent delprotó però carregat negativament. Quan es troben una partícula de matèria i una corresponent d'antimatèria s'aniquilen l'una a l'altra; a causa d'això, i també del desequilibri entre el nombre de partícules de matèria i antimatèria, aquestes darreres són més rares a l'univers. Les causes d'aquest desequilibri no es comprenen del tot, encara que les teories de labariogènesi en podrien oferir una explicació. Com a resultat d'això, no s'han descobert àtoms d'antimatèria a la naturalesa;[138][139] tanmateix, el 1996 se sintetitzà l'homòleg d'antimatèria de l'àtom d'hidrogen (l'antihidrogen) al laboratori delCERN.[140][141]
S'han creat altresàtoms exòtics substituint un dels protons, neutrons o electrons per altres partícules de la mateixa càrrega. Per exemple, un electró pot ser reemplaçat per unmuó més massiu i formar així unàtom muònic. Aquests tipus d'àtoms es poden utilitzar per testar les prediccions fonamentals de la física.[142][143][144]
↑Un quirat són 200 mil·ligrams.Per definició, el carboni-12 té 0,012 kg per mol. Laconstant d'Avogadro defineix6×1023 àtoms per mol.
↑Un observador que observi els àtoms des d'un punt de vista que no tingui l'espectre continu de fons veuria, en comptes d'això, un conjunt delínies d'emissió dels fotons emeses pels àtoms.
↑Les files horitzontals corresponen a l'emplenament de la capa quàntica d'electrons.
↑Bowden, Mary Ellen. «Otto Hahn, Lise Meitner, and Fritz Strassmann». A:Chemical achievers: the human face of the chemical sciences (en anglès). Philadelphia, PA: Chemical Heritage Foundation, 1997, p. 76–80, 125.ISBN 9780941901123.
↑Meitner, Lise; Frisch, Otto Robert «Disintegration of uranium by neutrons: a new type of nuclear reaction» (en anglès). Nature, 143, 3615, 1939, pàg. 239–240.Bibcode:1939Natur.143..239M.DOI:10.1038/143239a0.
↑Demtröder, Wolfgang.Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic- Molecular- and Quantum Physics. Springer, 2002, p. 39–42.ISBN 978-3-540-20631-6.OCLC181435713.
↑39,039,1Schombert, James. «Elementary Particles» (en anglès). Universitat d'Oregon, 18-04-2006. Arxivat de l'original el 30 d'agost 2011. [Consulta: 22 agost 2019].
↑Mihos, Chris. «Overcoming the Coulomb Barrier» (en anglès). Universitat Case Western Reserve, 23-07-2002. Arxivat de l'original el 12 de setembre 2006. [Consulta: 22 agost 2019].
↑«ABC's of Nuclear Science» (en anglès). Lawrence Berkeley National Laboratory, 30-03-2007. Arxivat de l'original el 5 desembre 2006.
↑Makhijani, Arjun; Saleska, Scott. «Basics of Nuclear Physics and Fission» (en anglès). Institute for Energy and Environmental Research, 02-03-2001. Arxivat de l'original el 16 gener 2007.
↑Shultis, J. Kenneth; Faw, Richard E.Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. CRC Press, 2002, p. 10–17.ISBN 978-0-8247-0834-4.OCLC123346507.
↑Ghosh, D.C.; Biswas, R. «Theoretical calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1. The Atomic Radii». Int. J. Mol. Sci., 3, 11, 2002, pàg. 87–113.DOI:10.3390/i3020087.ISSN:1422-0067.
↑«Small Miracles: Harnessing nanotechnology» (en anglès). Universitat Estatal d'Oregon, 2007. Dona el gruix d'un pèl humà com a105 nm i l'amplada de 10 àtoms de carboni com a 1 nm.
↑Padilla, Michael J.; Miaoulis, Ioannis; Cyr, MarthaPrentice Hall Science Explorer: Chemical Building Blocks. Upper Saddle River (Nova Jersey): Prentice-Hall, Inc., 2002, p. 32.ISBN 978-0-13-054091-1.OCLC47925884. «En una gota d'aigua hi ha 2.000.000.000.000.000.000.000 (2.000 trilions) àtoms d'oxigen i el doble d'àtoms d'hidrogen.»
↑Liang, Z.-P.; Haacke, E.M.. Webster, J.G..Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering: Magnetic Resonance Imaging (en anglès). vol. 2. John Wiley & Sons, 1999, p. 412–426.ISBN 978-0-471-13946-1.
↑Zeghbroeck, Bart J. Van. «Energy levels» (en anglès). Universitat Shippensburg, 1998. Arxivat de l'original el 15 gener 2005.
↑Fitzpatrick, Richard. «Fine structure» (en anglès). Universitat de Texas a Austin, 16-02-2007.
↑Weiss, Michael. «The Zeeman Effect» (en anglès). Universitat de California-Riverside, 2001. Arxivat de l'original el 2 febrer 2008.
↑Beyer, H.F.; Shevelko, V.P..Introduction to the Physics of Highly Charged Ions (en anglès). CRC Press, 2003, p. 232–236.ISBN 978-0-7503-0481-8.OCLC47150433.
↑Jacox, Marilyn; Gadzuk, J. William. «Scanning Tunneling Microscope» (en anglès). National Institute of Standards and Technology, 01-11-1997. Arxivat de l'original el 7 gener 2008.
↑«The Nobel Prize in Physics 1986» (en anglès). Fundació Nobel. – in particular, see the Nobel lecture by G. Binnig and H. Rohrer.
↑Jakubowski, N.; Moens, Luc; Vanhaecke, Frank «Sector field mass spectrometers in ICP-MS» (en anglès). Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 53, 13, 1998, pàg. 1739–1763.Bibcode:1998AcSpe..53.1739J.DOI:10.1016/S0584-8547(98)00222-5.
↑Lochner, Jim; Gibb, Meredith; Newman, Phil. «What Do Spectra Tell Us?» (en anglès). NASA/Goddard Space Flight Center, 30-04-2007. Arxivat de l'original el 16 gener 2008.
↑Winter, Mark. «Helium» (en anglès). WebElements, 2007. Arxivat de l'original el 30 desembre 2007.
↑Keller, C. «Natural occurrence of lanthanides, actinides, and superheavy elements» (en anglès). Chemiker Zeitung, 97, 10, 1973, pàg. 522–530.
↑Zaider, Marco; Rossi, Harald H.Radiation Science for Physicians and Public Health Workers (en anglès). Springer, 2001, p. 17.ISBN 978-0-306-46403-4.OCLC44110319.
Manuel, Oliver.Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations (en anglès). Springer, 2001.ISBN 978-0-306-46562-8.OCLC228374906.
Dalton, J.A New System of Chemical Philosophy, Part 1 (en anglès). London and Manchester: S. Russell, 1808.
Gangopadhyaya, Mrinalkanti.Indian Atomism: History and Sources (en anglès). Atlantic Highlands (Nova Jersey): Humanities Press, 1981.ISBN 978-0-391-02177-8.OCLC10916778.
Harrison, Edward Robert.Masks of the Universe: Changing Ideas on the Nature of the Cosmos (en anglès). Cambridge University Press, 2003.ISBN 978-0-521-77351-5.OCLC50441595.
King, Richard.Indian philosophy: an introduction to Hindu and Buddhist thought (en anglès). Edinburgh University Press, 1999.ISBN 978-0-7486-0954-3.
Levere, Trevor, H..Transforming Matter – A History of Chemistry for Alchemy to the Buckyball (en anglès). The Johns Hopkins University Press, 2001.ISBN 978-0-8018-6610-4.
;Scott, Robert«ἄτομος» (en anglès). Perseus Digital Library. [Consulta: 21 juny 2010].
McEvilley, Thomas.The shape of ancient thought: comparative studies in Greek and Indian philosophies (en anglès). Allworth Press, 2002.ISBN 978-1-58115-203-6.
