Mynd þessi var tekin meðsmugsjá og sýnir gullfrumeindir á (100) yfirborði gullmálms. Hringlaga punktarnir eru hver ein gullfrumeind.
Frumeind eðaatóm er smæsta aðgreinanlega einingfrumefnis, sem jafnframt hefur efnafræðilega eiginleika þess til að bera. Frumeind er þannig grundvallareining efna og helst óbreytt íefnahvörfum. Hver frumeind er úr þremur gerðum einda:Frumeindakjarni er gerður úrnifteindum sem ekki hafarafhleðslu ogróteindum sem eru jákvætt hlaðnar. Umhverfis kjarnann erurafeindir sem eru með neikvæða hleðslu. Frumefnin eru skilgreind út frá fjölda róteinda í kjarnanum. Allar frumeindir sem hafa 11 róteindir í kjarna, sem dæmi, eru þannignatrínfrumeindir, og allar frumeindir sem eru með 29 róteindir erukoparfrumeindir. Frumeindir með sama fjölda róteinda en mismunandi fjölda nifteinda eru kallaðarsamsætur (ísótópar) sama frumefnis.
Frumeindir eru að jafnaði um 100píkómetrar í þvermál. Eitt mannshár er jafnbreitt og um milljón kolefnisfrumeindir. Frumeindir eru smærri en minnsta bylgjulengd sýnilegs ljóss, sem þýðir að menn geta ekki greint frumeindir í hefðbundnumsmásjám. Þær eru svo smáar aðsígild eðlisfræði nægir ekki til að skýra hegðun þeirra vegnaskammtahrifa.
Yfir 99,94% afmassa frumeindar er í kjarnanum. Róteindir eru jákvætt hlaðnar og nifteindir óhlaðnar svo kjarninn sjálfur er jákvætt hlaðinn. Rafeindirnar eru neikvætt hlaðnar og þessi gagnstæða hleðsla bindur þær við kjarnann. Ef fjöldi róteinda og rafeinda er jafn mikill, eins og oftast er, er frumeindin sjálf hlutlaust hlaðin. Ef rafeindirnar eru fleiri en róteindirnar fær frumeindin neikvæða hleðslu og nefnist neikvætt hlaðinjón (anjón eða forjón). Ef róteindirnar eru hins vegar fleiri fær frumeindin jákvæða hleðslu og nefnist jákvætt hlaðin jón (katjón eða bakjón).
Rafsegulkraftur dregur rafeindirnar að kjarnanum, meðan róteindir og nifteindir bindast meðkjarnakrafti. Kjarnakrafturinn er oftast sterkari en rafsegulkrafturinn sem hrindir jákvætt hlöðnu róteindunum frá hver annarri. Undir vissum kringumstæðum verður rafsegulkrafturinn kjarnakraftinum yfirsterkari ogkjarninn klofnar. Við það verða til tvö ný frumefni. Reglulegkjarnasundrun einkennirgeislavirk efni.
Frumeindir geta bundist öðrum frumeindum meðefnatengjum og myndaðsameindir ogkristalla. Sameindir ólíkra frumefna nefnastefnasambönd.Efnahvörf, þar sem frumeindir losna og bindast með ýmsum hætti, eru á bak við flestar umbreytingar sem verða í efnisheiminum.Efnafræði er fræðigrein sem fæst við rannsóknir á þessum breytingum.
Eiginleikar frumeinda eru aðallega ákvarðaðir út frá kjarna og rafeindaskýi þeirra, þar má nefna massa, hleðslu, kjarnakraft, geislun, seguleiginleika og ástand þeirra.
Frumeind má einnig skipta í tvo hluta:kjarna ografeindasvigrúm. Rafeindasvigrúmið hýsir allar rafeindir frumeindarinnar og mynda rafeindirnar ský um kjarnann. Kjarninn er úr róteindum og nifteindum. Frumeind er sögð vera óhlaðin ef fjöldi róteinda og rafeinda er jafn. Annars kallast húnjón, og hefur jákvæða rafhleðslu ef róteindir eru fleiri en rafeindirnar, annars neikvæða hleðslu. Þótt ómögulegt sé aðákvarða samtímis bæði hraða og staðsetningu einstakra rafeinda með nákvæmni, má skipta rafeindaskýinu upp í hvolf eftir orkustigi rafeindanna. Hvolfin samsvara þá fjarlægð frá kjarnanum, þar sem hærra orkustig merkir meiri fjarlægð frá kjarnanum. Rafeindirnar leitast við að fylla orkulægri hvolfin, en hvert hvolf getur aðeins rúmað ákveðinn fjölda skv. reglunni 2n2 þar sem n er raðtala hvolfsins talið frá kjarna. Rafeindir sem sitja yst í tiltekinni frumeind nefnastgildisrafeindir og hafa mest áhrif áefnafræðilega hegðun hennar. Þær gegna lykilhlutverki í að binda frumeindir saman og mynda þannigsameindir. Efnishlutur sem eingöngu er úr einni tegund frumeinda kallastfrumefni.
Sætistala frumefna ræðst af fjölda róteinda. Frumeindir sem hafa sömu sætistölu geta haft ólíkan fjölda nifteinda, þessar eindir eru kallaðar samsætur. Dæmi um þær eru til dæmis:
Hvert atóm hefur kjarna sem er úrkjarneindunumróteind ognifteind. Þessum eindum heldursterki kjarnakrafturinn saman. Radíus kjarnans er u.þ.b.fm, þar sem A er fjöldi kjarneinda í kjarnanum. Þessi stærð er mun minni en heildarradíus atómsins sem er á stærðargráðunni 105 fm. Kjarninn er því aðeins brotabrot af heildarstærð atómsins, en næstum allur massi þess bundinn í honum. Massi rafeindanna er mun minni er massi kjarnans og yfirleitt ekki tekinn með í útreikningum sem varða atómið í heild.
Kjarneindirnar erufermíeindir og því gildireinsetulögmál Paulis um þær. Það þýðir að hver róteind er með sitt eigiðskammtaástand og deilir því ástandi ekki með annarri róteind. Sama gildir um nifteindirnar en þar sem þessar tvær kjarneindir hafa mismunandi hleðslu þá gildir einsetulögmálið ekki á milli þeirra.
Fjöldi róteinda ákvarðarsætistölu atómsins og þar með stöðu atómsins innanlotukerfisins. Hvert atóm getur haft mismunandisamsætur þar sem fjöldi nifteinda getur verið mismunandi en fjöldi kjarneinda ákveðakjarnagerðina.
Umhverfis kjarnann eru rafeindir. Þessar rafeindir skiptast niður í svokölluð rafeindasvigrúm og sjá má fyrstu fimm svigrúmin á mynd hér til hliðar. Rafeindasvigrúmin hafa ákveðið rúmmál, sem eru háðskammtafræðilegum eiginleikum rafeindanna og er þær að finna innan þessa rúmmáls, en nákvæmlega hvar innan þess er ómögulegt að ákveða með tilraunum eða útreikningum (sjáóvissulögmál Heisenbergs). Aðeins er hægt, með skammtafræðilegum útreikningum, að reikna líkindi á staðsetningu og hraðavigur rafeindarinnar. Rafeindasvigrúmin eru kyrrstæð m.t.t. kjarna frumeindarinnar.
Grískir heimspekingar komu fyrstir fram með þá kenningu að allt efni væri gert úr ódeilanlegum eindum og nefndu þeir þessar eindiratomos. Það orð er sett saman úra, sem er neitandiforskeyti ogtomos, skurður, sem sagt eitthvað sem ekki er hægt að skera eða deila og lýsti þetta hugmynd þeirra um eðli þessara einda (atomos=ódeili).Demókrítos frá Abderu er sérstaklega bendlaður við þessa kenningu. Hér ber að undirstrika að þessar fyrstu hugmyndir um ódeilanlegar frumeindir eru í mikilsverðu tilliti frábrugðnar hugmyndum nútímamanna. Grísku frumeindasinnarnir hugsuðu sér að frumeindirnar væru í raun allar úr sama efninu en að þær skiptust í óendanlegan fjölda tilbrigða eftir stærð og lögun, þar sem eindir af hverju tilbrigði/tegund áttu að vera eilífar og óbreytanlegar. Stærð (þó alltaf örlítil) og lögun eindanna átti að ákvarða efnafræðilega eiginleika þeirra. Þetta áttu að vera grunneiningar alls hversdagslegs efnis, sem yfirleitt er hrærigrautur einda af mismunandi gerðum. Þó fyrirfinnast efnishlutir sem eingöngu eru úr eindum af tiltekinni gerð. Þetta átti t.d. að gilda um vatn, loft og eld. Þannig var hægt að tala um frumefni, þ.e.a.s efni sem aðeins væri úr eindum af tiltekinni gerð. En það er m.a. þetta atriði sem tengir þessi fornaldarfræði við nútímahugmyndir um frumeindir.
Bohr líkanið af atóminu þar sem rafeindirnar ferðast innan ákveðinna hvela og orka færir rafeindir á milli hvelanna
Spurningin um tilvist frumeinda/ódeila var mjög umdeild allt frá fornöld og fram á seinni hluta 19. aldar. Spurningin var alltaf nátengdefnafræði og snerist um það hvort frumefni væru til og þá hvort tiltekið frumefni væri úr ódeilanlegum frumeindum. Smám saman tókst þó að renna stoðum undir kenninguna um tilvist frumefna, t.d. með uppgötvunfosfórs á17. öld og síðarsúrefnis á18. öld. Árið 1808 settiJohn Dalton síðan fram þá kenningu að frumefni væru samsett af einni gerð frumeinda, sem líkt og frumeindir Demokrítosar væru óbreytanlegar í lögun og byggingu. Önnur efnasambönd mætti síðan fá fram með því að blanda ólíkum frumefnum saman. Um miðja19. öld vannrússneski efnafræðingurinnMendelejev að því að búa til töflu eða kerfi frumefna sem byggðist á upplýsingum um atómmassa frumefna, en á þessum tíma höfðu menn ekki hugmynd um innri gerð atóma. Þetta kerfi kallastlotukerfi.
Af þessu má ljóst vera að það var helsta skilgreiningaratriði frumeinda/atóma að þær væru ókljúfanlegar, sbr. nafniðatomos. Það er því dálítið kaldhæðnislegt að þær tilraunir og uppgötvanir sem loks leiddu til þess að frumeindakenningin var tekin í sátt, sýndu beinlínis að frumeindirnar voru kljúfanlegar. Með uppgötvunrafeindarinnar undir lok19. aldar fóru menn að velta því fyrir sér hvort fleiri eindir væru í atóminu og voru það einna helst uppgötvanirJ. J. Thomson,Henri Becquerel ogErnest Rutherford sem ruddu brautina í þeim efnum. Árið1896 uppgötvaði Becquerelgeislavirkni ogári síðar uppgötvaði Thomson rafeindina. Rutherford tilkynnti svo um uppgötvun kjarnans árið1911. Allan þennan gerjunartíma veltu menn því fyrir sér hvernig frumeindir væru uppbyggðar og hvernig þær viðhéldu stöðugleika. Loks tókstNiels Bohr, árið1913, að setja fram líkan af vetnisfrumeindinni, sem skapaði grundvöll fyrir áframhaldandi starf og skilning á byggingu frumeinda. Ekki náðust myndir af atómum fyrr en með tilkomurafeindasmásjárinnar á20. öld.
