อะตอม หรือเดิมเรียกปรมาณู [ 1] อังกฤษ : atom กรีก : άτομον สสาร ประกอบด้วยส่วนของนิวเคลียส ที่หนาแน่นมากอยู่ตรงศูนย์กลาง ล้อมรอบด้วยกลุ่มหมอก ของอิเล็กตรอน ที่มีประจุลบ นิวเคลียสของอะตอม ประกอบด้วยโปรตอน ที่มีประจุบวกกับนิวตรอน ซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้า (ยกเว้นในกรณีของไฮโดรเจน-1 ซึ่งเป็นนิวไคลด์ เสถียรชนิดเดียวที่ไม่มีนิวตรอน) อิเล็กตรอนของอะตอมถูกดึงดูดอยู่กับนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในทำนองเดียวกัน กลุ่มของอะตอมสามารถดึงดูดกันและกันก่อตัวเป็นโมเลกุล ได้ อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า มิฉะนั้นแล้วมันอาจมีประจุเป็นบวก (เพราะขาดอิเล็กตรอน) หรือลบ (เพราะมีอิเล็กตรอนเกิน) ซึ่งเรียกว่าไอออน เราจัดประเภทของอะตอมด้วยจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียสจำนวนโปรตอน เป็นตัวบ่งบอกชนิดของธาตุเคมี และจำนวนนิวตรอน บ่งบอกชนิดไอโซโทป ของธาตุนั้น[ 2]
ตามความเข้าใจในปัจจุบัน อะตอมเป็นวัตถุขนาดเล็กที่มีมวลน้อยมาก เราสามารถสังเกตการณ์อะตอมเดี่ยว ๆ ได้โดยอาศัยเครื่องมือพิเศษ เช่นกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ มวลประมาณ 99.9% ของอะตอมกระจุกรวมกันอยู่ในนิวเคลียส[ note 1] ระดับพลังงาน ที่เสถียรอยู่จำนวนหนึ่งในลักษณะของวงโคจรอะตอม และสามารถเปลี่ยนแปลงระดับไปมาระหว่างกันได้โดยการดูดซับหรือปลดปล่อยโฟตอน ที่สอดคล้องกับระดับพลังงานที่ต่างกัน อิเล็กตรอนเหล่านี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีของธาตุ และมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอะตอม อิเล็กตรอนของอะตอมถูกดึงดูดกับโปรตอนในนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า โปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสถูกดูดเข้าหากันด้วยแรงนิวเคลียร์ ปกติแรงนิวเคลียร์เข้มกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ยกเว้นในบางกรณีที่แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเข้มกว่าแรงนิวเคลียร์ ซึ่งจะทำให้เกิดการแบ่งนิวเคลียสและเกิดเป็นธาตุใหม่ เรียกว่าการสลายของนิวเคลียส
จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเป็นเลขอะตอม และเป็นตัวนิยามธาตุ ตัวอย่างเช่น อะตอมที่มีโปรตอน 29 ตัวจะเป็นธาตุทองแดง จำนวนนิวตรอนเป็นตัวระบุไอโซโทป ของธาตุ อะตอมสามารถดึงดูดอะตอมอื่นตั้งแต่หนึ่งอะตอมขึ้นไปเกิดพันธะเคมี เป็นสารประกอบเคมี เช่นโมเลกุล หรือผลึก (crystal) การรวมตัวและแยกอะตอมนี้เป็นตัวการของการเปลี่ยนแปลงเชิงกายภาพที่สังเกตได้ในธรรมชาติ วิชาที่ศึกษาเรียกเคมี
"อะตอม" มาจากภาษากรีก ว่า ἄτομος/átomos, α-τεμνω ซึ่งหมายความว่า "ไม่สามารถตัดแบ่งให้เล็กลงไปได้อีก" (แต่เดิมจึงถูกเรียกในภาษาไทยว่าปรมาณู ) หลักการของอะตอมในฐานะส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของสสารที่ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไป ถูกเสนอขึ้นครั้งแรกโดยนักปรัชญาชาวอินเดียและนักปรัชญาชาวกรีก ซึ่งจะตรงกันข้ามกับปรัชญาอีกสายหนึ่งที่เชื่อว่าสสารสามารถแบ่งแยกได้ไปเรื่อย ๆ โดยไม่มีสิ้นสุด (คล้ายกับปัญหา discrete หรือ continuum) ในคริสต์ศตวรรษที่ 17-18 นักเคมีเริ่มวางแนวคิดทางกายภาพจากหลักการนี้โดยแสดงให้เห็นว่าวัตถุหนึ่ง ๆ ควรจะประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานที่ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกต่อไป ระหว่างช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 และต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ค้นพบส่วนประกอบย่อยของอะตอมและโครงสร้างภายในของอะตอม ซึ่งเป็นการแสดงว่า "อะตอม" ที่ค้นพบตั้งแต่แรกยังสามารถแบ่งแยกได้อีก และไม่ใช่ "อะตอม" ในความหมายที่ตั้งมาแต่แรกกลศาสตร์ควอนตัม เป็นทฤษฎีที่สามารถนำมาใช้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอะตอมได้เป็นผลสำเร็จ[ 3] [ 4]
[ แก้ ] อะตอมและโมเลกุลหลากหลายแบบที่จอห์น ดอลตัน (John Dalton) ได้พรรณนาไว้ในA New System of Chemical Philosophy (1808) หนึ่งในผลงานวิทยาศาสตร์ยุคแรกสุดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอม ไม่มีความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจกับอะตอมเพิ่มมากขึ้นนักจนกระทั่งศาสตร์ทางด้านเคมี เริ่มพัฒนาขึ้น ในปี ค.ศ. 1661 นักปรัชญาธรรมชาติโรเบิร์ต บอยล์ เผยแพร่งานเขียนเรื่องThe Sceptical Chymist ธาตุพื้นฐาน ทั้งสี่คือ อากาศ ดิน ไฟ และน้ำ[ 5] อองตวน ลาวัวซิเยร์ กำหนดคำว่าธาตุ (element ) เพื่อใช้ในความหมายถึงสสารพื้นฐานที่ไม่สามารถแบ่งแยกด้วยกระบวนการทางเคมีต่อไปได้อีก[ 6]
ปี ค.ศ. 1803 อาจารย์ชาวอังกฤษและนักปรัชญาธรรมชาติจอห์น ดอลตัน (John Dalton) ใช้แนวคิดของอะตอมมาอธิบายว่าทำไมธาตุต่าง ๆ จึงมีปฏิกิริยาเป็นสัดส่วนของจำนวนเต็มเล็กที่สุดเสมอ คือกฎสัดส่วนพหุคูณ (law of multiple proportion) และทำไมก๊าซบางชนิดจึงสลายตัวในน้ำได้ดีกว่าสารละลายอื่น เขาเสนอว่าธาตุแต่ละชนิดประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกันที่ไม่เหมือนใคร และอะตอมเหล่านี้สามารถรวมตัวเข้าด้วยกันได้กลายเป็นสารประกอบทางเคมี[ 7] [ 8] ทฤษฎีอะตอม ยุคใหม่[ 9]
ทฤษฎีเกี่ยวกับอนุภาคอีกทฤษฎีหนึ่ง (ซึ่งเป็นส่วนขยายของทฤษฎีอะตอม ด้วย) เกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1827 เมื่อนักพฤกษศาสตร์โรเบิร์ต บราวน์ ใช้กล้องจุลทรรศน์ ส่องดูเศษฝุ่นของเมล็ดข้าวที่ลอยอยู่ในน้ำ และพบว่ามันเคลื่อนที่ไปแบบกระจัดกระจายไม่แน่นอน นี่เป็นปรากฏการณ์ที่ต่อมารู้จักกันในชื่อการเคลื่อนที่แบบบราวน์ ปี ค.ศ. 1877 J. Desaulx เสนอว่าปรากฏการณ์นี้มีสาเหตุมาจากการเคลื่อนของความร้อนในโมเลกุลน้ำ และในปี ค.ศ. 1905อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้คิดค้นการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ขึ้นได้เป็นครั้งแรก[ 10] [ 11] [ 12] ฌอง แปร์แรง ใช้งานของไอน์สไตน์เพื่อทำการทดลองระบุมวลและขนาดของอะตอม ซึ่งในเวลาต่อมาได้พิสูจน์ทฤษฎีอะตอมของดอลตัน[ 13]
ปี ค.ศ. 1869ดมีตรี เมนเดเลเยฟ อาศัยการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ยุคก่อนหน้าเช่นลาวัวซิเยร์ คิดค้นและเผยแพร่ตารางธาตุ ขึ้นเป็นครั้งแรก[ 14] ธาตุ ซึ่งจะวนซ้ำเป็นรอบ ๆ ตามหมายเลขอะตอม
[ แก้ ] เจ. เจ. ทอมสัน นักฟิสิกส์ ค้นพบอิเล็กตรอนจากการศึกษารังสีแคโธด เมื่อปี ค.ศ. 1897 และสรุปว่ามันเป็นส่วนประกอบอยู่ในอะตอมทุกตัว ซึ่งเป็นการล้มล้างความเชื่อที่ว่าอะตอมนั้นเป็นอนุภาคเล็กที่สุดของสสารไม่สามารถแบ่งแยกได้[ 15] แบบจำลองอะตอมของทอมสัน (plum-pudding model)
ปี ค.ศ. 1909ฮันส์ ไกเกอร์ และเออร์เนสต์ มาร์สเดน ภายใต้การแนะนำของนักฟิสิกส์เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ทำการทดลองด้วยการยิงรังสีอัลฟาใส่แผ่นทองคำ ซึ่งเป็นที่รู้กันว่ามีอะตอมฮีเลียมประจุบวก แล้วค้นพบว่าอนุภาคมีการหักเหไปเล็กน้อยเมื่อเทียบกับมุมหักเหที่ควรจะเป็นตามที่บทความของทอมสันเคยทำนายเอาไว้ รัทเทอร์ฟอร์ดตีความการทดลองนี้ว่าเป็นการบ่งชี้ถึงประจุบวกในอะตอมหนักของทองคำ และมวลส่วนมากของมันรวมตัวกันอยู่ที่นิวเคลียสซึ่งอยู่บริเวณศูนย์กลางของอะตอม เรียกชื่อแนวคิดนี้ว่าแบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ด [ 16]
ปี ค.ศ. 1913 ขณะที่นักเคมีรังสีเฟรเดอริค ซอดดี ทำการทดลองกับผลที่ได้จากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี เขาค้นพบว่าดูเหมือนจะมีชนิดของอะตอมมากกว่าหนึ่งชนิดในแต่ละตำแหน่งของตารางธาตุ[ 17] มาร์กาเร็ต ท็อดด์ ตั้งชื่อคำว่าไอโซโทป ขึ้นเพื่อใช้ในความหมายถึงอะตอมที่แตกต่างกันแต่เป็นอะตอมของธาตุเดียวกัน เจ.เจ. ทอมสัน สร้างเทคนิคในการแบ่งแยกประเภทของอะตอมจากงานเกี่ยวกับแก๊สที่แตกตัวเป็นประจุ ซึ่งต่อมาได้นำไปสู่การค้นพบไอโซโทปเสถียร [ 18]
แบบจำลองอะตอมไฮโดรเจนของบอร์ แสดงการกระโดดของอิเล็กตรอนระหว่างวงโคจรต่าง ๆ ที่คงที่และแผ่โฟตอน ออกมาด้วยพลังงานที่ระดับความถี่เฉพาะค่าหนึ่งขณะเดียวกันในปี ค.ศ. 1913 นักฟิสิกส์นีลส์ บอร์ เสนอรูปแบบของอิเล็กตรอนที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น เขากล่าวว่ามันมีวงโคจรหลายระดับแตกต่างกัน และสามารถกระโดดไปมาระหว่างระดับวงโคจรต่าง ๆ ได้ แต่ไม่สามารถหมุนเป็นเกลียวเข้าออกตามใจชอบระหว่างทางได้[ 19] แสง จากวัตถุที่ร้อนจัดวิ่งผ่านปริซึม มันจะสร้างสเปกตรัม หลากสีขึ้น การปรากฏของระดับพลังงานต่าง ๆ ที่กำหนดตายตัว ได้รับการอธิบายอย่างสมบูรณ์จากการเปลี่ยนระดับวงโคจรนี้[ 20]
กิลเบิร์ต นิวตัน ลูอิส สามารถอธิบายถึงพันธะเคมี ระหว่างอะตอมได้ในปี ค.ศ. 1916 ว่าเป็นปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนที่เป็นส่วนประกอบภายใน[ 21] คุณสมบัติทางเคมีของธาตุ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วตามที่ปรากฏในตารางธาตุ [ 22] เออร์วิง แลงมิวร์ เสนอวิธีการอธิบายว่า ถ้าอิเล็กตรอนในอะตอมเชื่อมต่อกันหรือจับกลุ่มกันในลักษณะบางอย่าง กลุ่มของอิเล็กตรอนน่าจะรวมกันเป็นชั้นพลังงานของอิเล็กตรอน รอบ ๆ นิวเคลียส[ 23]
ปี ค.ศ. 1918 รัทเทอร์ฟอร์ดค้นพบว่าประจุบวกภายในอะตอมแต่ละตัวจะมีจำนวนเท่ากับเลขจำนวนเต็มบวกของนิวเคลียสไฮโดรเจนเสมอ เขาลงความเห็นว่าภายในนิวเคลียสมีอนุภาคประจุบวกอยู่เรียกว่าโปรตอน อย่างไรก็ดี มวลของนิวเคลียสมักจะมากกว่าเลขเหล่านี้ ทำให้คาดการณ์กันว่ามวลส่วนที่เกินไปนั้นน่าจะเป็นของอนุภาคที่มีประจุเป็นกลาง (คือนิวตรอน )
การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลค ในปี ค.ศ. 1922 ทำให้เรามีหลักฐานเกี่ยวกับลักษณะความเป็นควอนตัมของอะตอม เมื่อลำอนุภาคอะตอมของเงินวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กที่มีรูปร่างเฉพาะอย่างหนึ่ง ลำอนุภาคนั้นจะแยกออกไปในทิศทางของโมเมนตัมเชิงมุมของอะตอม หรือตามสปิน เนื่องจากทิศทางนี้เกิดขึ้นแบบสุ่ม จึงคาดการณ์ว่าลำอนุภาคจะแยกออกเป็นเส้น ทว่าลำอนุภาคกลับแยกออกเป็นสองส่วนเท่านั้นตามทิศทางสปินของอะตอมว่าเป็นแบบขึ้นหรือแบบลง[ 24]
ปี ค.ศ. 1924หลุยส์ เดอ บรอย เสนอแนวคิดว่าอนุภาคทุกชนิดมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น ปี ค.ศ. 1926แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ ใช้แนวคิดนี้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอะตอมที่อธิบายอิเล็กตรอนในลักษณะของรูปคลื่น สามมิติแทนที่จะเป็นอนุภาคแบบจุด ผลสืบเนื่องจากการใช้รูปคลื่นอธิบายอนุภาคคือ มันเป็นไปไม่ได้ในทางคณิตศาสตร์ที่จะทราบค่าที่แน่นอนทั้งตำแหน่ง และโมเมนตัม ของอนุภาคในเวลาเดียวกัน ในเวลาต่อมาแนวคิดนี้เป็นที่รู้จักในชื่อหลักแห่งความไม่แน่นอน ซึ่งเรียบเรียงขึ้นโดยแวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์ก ในปี ค.ศ. 1926 จากหลักการนี้ ถ้ากำหนดตำแหน่งที่แน่นอนของอนุภาคแล้วจะสามารถทราบเพียงขอบเขตที่เป็นไปได้ของโมเมนตัม ในทำนองกลับกันก็เช่นเดียวกัน แบบจำลองนี้สามารถใช้อธิบายผลสังเกตการณ์พฤติกรรมของอะตอมแบบที่แบบจำลองอื่น ๆ ก่อนหน้าไม่สามารถอธิบายได้ เช่นโครงสร้างของอะตอมและรูปแบบสเปกตรัม ของอะตอมที่มีขนาดใหญ่กว่าไฮโดรเจน ดังนั้นแบบจำลองของอะตอมที่คล้ายคลึงกับแบบจำลองดาวเคราะห์จึงถูกละทิ้งไป หันไปใช้แบบจำลองที่อธิบายถึงโซนวงโคจรในอะตอม ที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียสอันเป็นบริเวณที่น่าจะสังเกตพบอิเล็กตรอนมากที่สุด[ 25] [ 26]
การพัฒนาของเครื่องวิเคราะห์มวล (mass spectrometer) ทำให้สามารถตรวจวัดมวลที่แน่นอนของอะตอมได้ อุปกรณ์นี้อาศัยแม่เหล็กในการเบี่ยงเบนวิถีของลำอนุภาคไอออน และตรวจวัดปริมาณการหักเหจากอัตราส่วนระหว่างมวลอะตอมกับประจุของมัน นักเคมีฟรานซิส วิลเลียม แอสตัน ใช้เครื่องมือนี้เพื่อแสดงให้เห็นว่าไอโซโทปมีมวลที่ต่างออกไปมวลอะตอม ของไอโซโทปเหล่านี้จะแปรค่าไปเป็นจำนวนเต็มบวก เรียกว่ากฎของเลขจำนวนเต็ม (whole number rule)[ 27] นิวตรอน หรืออนุภาคที่มีประจุเป็นกลางซึ่งมีมวลเท่ากับโปรตอน นักฟิสิกส์ชื่อเจมส์ แคดวิค ค้นพบนิวตรอนในปี ค.ศ. 1932 จึงทำให้สามารถอธิบายไอโซโทปได้ในฐานะธาตุที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนภายในนิวเคลียสที่แตกต่างออกไป[ 28]
[ แก้ ] ปี ค.ศ. 1938 นักเคมีชาวเยอรมันอ็อทโท ฮาน ผู้เป็นศิษย์ของรัทเทอร์ฟอร์ด ยิงนิวตรอนใส่อะตอมยูเรเนียมด้วยสมมุติฐานจะได้ธาตุหลังยูเรเนียม ออกมา แต่การทดลองทางเคมีของเขากลับให้ผลลัพธ์ออกมาเป็นแบเรียม [ 29] ลีเซอ ไมท์เนอร์ กับออตโต ฟริสช์ ผู้เป็นหลาน สามารถพิสูจน์ว่าผลลัพธ์ของฮานเป็นการทดลองนิวเคลียร์ฟิชชัน [ 30] [ 31] รางวัลโนเบลสาขาเคมี แต่ไมต์เนอร์กับฟริสช์กลับไม่มีชื่อได้รับร่วมทั้งที่ฮานได้พยายามเสนอแล้ว[ 32]
ช่วงคริสต์ทศวรรษ 1950 มีการพัฒนาเครื่องเร่งอนุภาค และเครื่องตรวจจับอนุภาค ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาผลกระทบจากการเคลื่อนที่ของอะตอมที่ระดับพลังงานสูง ๆ ได้[ 33] ฮาดรอน เป็นส่วนประกอบย่อยของนิวตรอนและโปรตอน ซึ่งเป็นอนุภาคประกอบขึ้นจากชิ้นส่วนที่เล็กกว่าเรียกว่าควาร์ก แบบจำลองมาตรฐานทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์ได้รับการพัฒนาขึ้นจนสามารถอธิบายคุณลักษณะของนิวเคลียสได้อย่างสมบูรณ์ในรูปแบบของอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมและแรงต่าง ๆ ที่มีผลต่อปฏิกิริยาของอนุภาคเหล่านั้น[ 34]
[ แก้ ] แม้คำว่าอะตอม จะมีกำเนิดจากรากศัพท์ที่มีความหมายถึงอนุภาคที่เล็กที่สุดซึ่งไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไป แต่การใช้งานในทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่นั้น อะตอมยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม อีกมากมาย อนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของอะตอมได้แก่อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน อย่างไรก็ดี อะตอมของไฮโดรเจน-1 นั้นไม่มีนิวตรอน และประจุไฮโดรเจน บวกก็ไม่มีอิเล็กตรอน
เท่าที่รู้กันในปัจจุบัน อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยที่สุดในบรรดาอนุภาคทั้งหมด (อนุภาคที่เล็กที่สุดและมีมวลน้อยที่สุดที่ทราบในปัจจุบันคือ อนุภาคควาร์ก) ประมาณ 9.11× 10 −31 kg โดยมีประจุไฟฟ้าลบ และมีขนาดที่เล็กเกินกว่าจะวัดได้ด้วยเทคนิคเท่าที่มีอยู่[ 35] × 10 −27 kg แม้ว่าอาจลดลงได้จากการเปลี่ยนแปลงพลังงานยึดเหนี่ยว ของโปรตอนที่มีต่ออะตอม ส่วนนิวตรอนนั้นไม่มีประจุไฟฟ้า มีมวลราว 1,839 เท่าของมวลอิเล็กตรอน[ 36] × 10 −27 kg นิวตรอนกับโปรตอนมีขนาดพอ ๆ กันที่ประมาณ 2.5× 10 −15 ม. แม้ว่า 'พื้นผิว' ของอนุภาคเหล่านี้จะไม่สามารถระบุได้อย่างชัดเจนก็ตาม[ 37]
ในแบบจำลองมาตรฐาน ทางฟิสิกส์ ทั้งโปรตอนและนิวตรอนต่างประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน เรียกว่าควาร์ก ควาร์กเป็นหนึ่งในสองชนิดของกลุ่มอนุภาคเฟอร์มิออน ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสสาร องค์ประกอบอีกตัวหนึ่งคือเลปตอน ซึ่งมีอิเล็กตรอนเป็นส่วนประกอบ ควาร์กมีอยู่ 6 ประเภท แต่ละประเภทมีประจุไฟฟ้าเป็นเศษส่วนที่แตกต่างกันคือ +2/3 หรือ −1/3 โปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 2 ตัวและดาวน์ควาร์ก 1 ตัว ขณะที่นิวตรอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 1 ตัวและดาวน์ควาร์ก 2 ตัว ความแตกต่างนี้เป็นตัวบ่งบอกถึงความแตกต่างของมวลและประจุระหว่างอนุภาคสองชนิด ควาร์กยึดเหนี่ยวกันไว้ได้ด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ซึ่งเป็นลักษณะของกลูออน กลูออนเป็นอนุภาคชนิดหนึ่งในตระกูลเกจ โบซอน ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานทางด้านแรงปฏิกิริยาทางฟิสิกส์[ 38] [ 39]
โปรตอนกับนิวตรอนที่ยึดเหนี่ยวกันภายในอะตอมหนึ่ง ๆ จะรวมกันเป็นนิวเคลียสอะตอม ขนาดเล็ก เรียกชื่อว่านิวคลีออน รัศมีของนิวเคลียสมีค่าประมาณ1.07 A 3 {\displaystyle {\begin{smallmatrix}1.07{\sqrt[{3}]{A}}\end{smallmatrix}}} fm โดยที่A คือจำนวนนิวคลีออนรวม[ 40] 5 fm นิวคลีออนยึดเหนี่ยวกันเอาไว้ด้วยแรงดึงดูดระยะใกล้ ๆ เรียกว่าแรงนิวเคลียร์ ที่ระยะห่างต่ำกว่า 2.5 fm แรงนี้จะมีพลังแรงมากกว่าแรงไฟฟ้าสถิต ซึ่งทำให้ประจุโปรตอนที่เป็นบวกพยายามผลักตัวออกจากกัน[ 41]
อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน เรียกตัวเลขนี้ว่าหมายเลขอะตอม ในธาตุชนิดหนึ่ง ๆ อาจมีจำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นตัวกำหนดค่าไอโซโทป ของธาตุนั้น ๆ จำนวนโดยรวมของโปรตอนกับนิวตรอนเป็นตัวระบุนิวไคลด์ จำนวนนิวตรอนเทียบกับโปรตอนเป็นตัวกำหนดความเสถียรของนิวเคลียส และไอโซโทปที่ทำให้เกิดการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี [ 42]
นิวตรอนกับโปรตอนต่างเป็นเฟอร์มิออน เพียงแต่เป็นคนละชนิด ตามหลักการกีดกันของเพาลี คือผลจากแรงควอนตัม ทำให้เฟอร์มิออนที่เทียบเท่ากัน ไม่สามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันในเวลาเดียวกันได้ ดังนั้นโปรตอนทุกตัวในนิวเคลียสจึงต้องดำรงอยู่ในสถานะที่แตกต่างกันด้วยระดับพลังงานต่าง ๆ ของตัวเอง กฎเดียวกันนี้ยังใช้กับนิวตรอนทั้งหมดด้วย แต่ไม่ได้ห้ามโปรตอนกับนิวตรอนให้มีสถานะควอนตัมอันเดียวกัน[ 43]
มีความเป็นไปได้ที่นิวเคลียสของอะตอมที่มีหมายเลขอะตอมต่ำซึ่งมีจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนต่างกัน จะลดสถานะพลังงานต่ำลงจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี อันทำให้จำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเกือบจะเท่ากัน ผลที่เกิดขึ้นทำให้อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเกือบเท่ากันนั้นมีภาวะเสถียรขึ้นและไม่สลายตัว อย่างไรก็ดี ยิ่งหมายเลขอะตอมสูงขึ้น แรงผลักระหว่างโปรตอนก็จะยิ่งทำให้สัดส่วนนิวตรอนที่ต้องมีเพื่อรักษานิวเคลียสให้เสถียรต้องเพิ่มจำนวนมากขึ้น ทำให้แนวโน้มเปลี่ยนแปลงไป ด้วยเหตุนี้จึงไม่มีนิวเคลียสที่เสถียรซึ่งมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนเท่า ๆ กันที่หมายเลขอะตอมมากกว่า Z = 20 (แคลเซียม ) ยิ่ง Z มีจำนวนมากขึ้นไปสู่นิวเคลียสธาตุหนัก สัดส่วนนิวตรอนต่อโปรตอนที่ต้องมีเพื่อความเสถียรจะยิ่งเพิ่มขึ้นไปที่ประมาณ 1.5[ 43]
จำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสอะตอมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ แม้จะต้องใช้พลังงานสูงมากเพราะมีแรงยึดเหนี่ยวที่เข้มมาก ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคอะตอมหลายตัวรวมตัวกันทำให้เกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ที่หนักกว่าเดิม เช่นจากการชนกันของนิวเคลียสสองตัว ยกตัวอย่างเช่นที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ โปรตอนต้องการพลังงาน 3–10 keV เพื่อเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกัน หรือกำแพงคูลอมบ์ (coulomb barrier) แล้วหลอมรวมเข้าด้วยกันกลายเป็นนิวเคลียสเพียงอันเดียว[ 44] นิวเคลียร์ฟิชชัน จะเกิดขึ้นในทางตรงกันข้าม คือการที่นิวเคลียสหนึ่งแตกตัวออกเป็นนิวเคลียสขนาดเล็กกว่า 2 ตัว โดยมากเกิดขึ้นจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี นิวเคลียสยังอาจเปลี่ยนแปลงได้จากการยิงด้วยอนุภาคขนาดเล็กพลังงานสูง หรือโฟตอน ถ้าสามารถเปลี่ยนแปลงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสได้ อะตอมก็จะเปลี่ยนคุณลักษณะไปเป็นธาตุชนิดอื่น[ 45] [ 46]
ถ้ามวลของนิวเคลียสหลังจากเกิดปฏิกิริยาฟิวชันมีน้อยกว่าจำนวนมวลรวมของอนุภาคขณะที่ยังแยกกัน มวลที่แตกต่างกันระหว่างค่าทั้งสองอาจจะแพร่ออกไปในลักษณะของพลังงานบางอย่าง (เช่นรังสีแกมมา หรือพลังงานจลน์ของอนุภาคบีตา ) ดังที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อธิบายไว้ในสมการสมมูลระหว่างมวล-พลังงาน E = mc 2 เมื่อm คือมวลที่สูญหายไป และc คือความเร็วแสง จำนวนที่หายไปนี้เป็นส่วนหนึ่งของพลังงานยึดเหนี่ยว ของนิวเคลียสใหม่ และเป็นการสูญเสียพลังงานแบบไม่มีวิธีย้อนกลับ ซึ่งทำให้อนุภาคที่หลอมรวมกันยังคงอยู่ในสถานะที่จำเป็นต้องใช้พลังงานในระดับนั้นเพื่อแยกตัวออกจากกัน[ 47]
การเกิดฟิวชันของนิวเคลียสสองตัวให้กลายเป็นนิวเคลียสเดียวที่ใหญ่ขึ้น โดยที่มีหมายเลขอะตอมต่ำกว่าเหล็ก และนิกเกิล หรือจำนวนนิวคลีออนรวมประมาณ 60 เรียกว่ากระบวนการคายความร้อน ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานออกมามากกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการรวมตัวกัน[ 48] นิวคลีออน ในนิวเคลียสเริ่มต้นลดจำนวนลง นั่นคือกระบวนการฟิวชันที่สร้างนิวเคลียสที่มีหมายเลขอะตอมสูงกว่า 26 และมวลอะตอมมากกว่า 60 เรียกว่ากระบวนการดูดความร้อน นิวเคลียสมวลมากเหล่านี้ไม่สามารถสร้างปฏิกิริยาฟิวชันต่อเนื่องที่รักษาสภาวะสมดุลอุทกสถิต ของดาวฤกษ์เอาไว้ได้[ 43]
อิเล็กตรอนในอะตอมถูกดึงดูดเอาไว้กับโปรตอนในนิวเคลียสด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงชนิดนี้ยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนเอาไว้ภายในหลุมพลังงาน ไฟฟ้าสถิต ที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียส นั่นแสดงว่าจำเป็นต้องได้รับพลังงานจากแหล่งภายนอกเพื่อช่วยให้อิเล็กตรอนหนีออกไปได้ ยิ่งอิเล็กตรอนอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากเท่าใด แรงดึงดูดนี้ก็ยิ่งมากขึ้น ดังนั้นอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้ศูนย์กลางของหลุมพลังงานจำเป็นต้องใช้พลังงานมากกว่าเพื่อจะหนีออกมาได้
เช่นเดียวกับอนุภาคอื่น อิเล็กตรอนมีคุณสมบัติแบบทวิภาค คือเป็นทั้งอนุภาคและเป็นทั้งคลื่น เมฆอิเล็กตรอนเป็นบริเวณภายในหลุมพลังงานที่อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะสร้างคลื่นนิ่ง 3 มิติประเภทหนึ่งขึ้น อันเป็นรูปคลื่นที่ไม่เคลื่อนที่ตามนิวเคลียส พฤติกรรมนี้ถูกกำหนดจากออร์บิทัลของอะตอม ซึ่งเป็นฟังก์ชันคณิตศาสตร์ที่แสดงคุณสมบัติความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะปรากฏตัวขึ้นที่จุดเฉพาะหนึ่ง ๆ ขณะที่ถูกวัดตำแหน่ง[ 49] [ 50] [ 51]
ออร์บิทัลอะตอมแต่ละแบบจะสอดคล้องกับระดับพลังงานเฉพาะของอิเล็กตรอนค่าหนึ่ง ๆ อิเล็กตรอนสามารถเปลี่ยนสถานะของมันไปยังระดับพลังงานที่สูงกว่าได้โดยการดูดซับโฟตอน ที่มีพลังงานเพียงพอจะยกระดับตัวมันขึ้นไปสู่สถานะควอนตัมใหม่ ในทางกลับกัน กระบวนการปลดปล่อยรังสีด้วยตัวเองทำให้อิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานสูงสามารถลดระดับพลังงานลงไปยังสถานะที่ต่ำกว่าได้ขณะที่แผ่พลังงานส่วนเกินออกไปเป็นโฟตอน คุณลักษณะของค่าพลังงานที่กำหนดจากสถานะควอนตัมที่แตกต่างกันนี้ เป็นสาเหตุของการเกิดเส้นสเปกตรัม [ 50]
ปริมาณพลังงานที่จำเป็นต้องใช้ (ทั้งแบบเพิ่มเข้าไปหรือปลดปล่อยออกมา) ในการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนนี้น้อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออน มาก เช่น จำเป็นต้องใช้พลังงานเพียง 13.6 eV เพื่อให้อิเล็กตรอนจากอะตอมของไฮโดรเจนเปลี่ยนระดับลงไปยังสถานะพื้น [ 52] ล้าน eV ในการแยกนิวเคลียสของดิวเทอเรียม [ 53] ไอออน อิเล็กตรอนที่อยู่ไกลจากนิวเคลียสมากอาจถ่ายโอนไปยังอะตอมข้างเคียง หรืออยู่ร่วมระหว่างสองอะตอมก็ได้ ด้วยกลไกนี้ อะตอมจึงสามารถเกิดพันธะเคมี กลายเป็นโมเลกุล และสารประกอบเคมี อื่น ๆ เช่น การเกิดผลึกแบบไอโอนิกคริสตัล หรือโคเวเลนต์ [ 54]
โครงสร้างของเมฆอิเล็กตรอนอาจเปลี่ยนแปลงไปตามจำนวนอิเล็กตรอนที่มีในกลุ่มเมฆนั้น มีวิธีการนับจำนวนอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันอยู่จำนวนหนึ่ง เช่นกฎออกเตต หรือกฎ 18 อิเล็กตรอน ซึ่งโดยมากจะใช้เป็นเพียงกฎช่วยจำและไม่ได้ใช้แบบเดียวกันกับอะตอมทุกชนิด นักศึกษาใหม่ในวิชาเคมีมักถูกสอนให้จำโครงสร้างอะตอมแบบง่าย ๆ เป็น 2, 8, 8, 8, 8, 8, 8, [...] ทั้งนี้เพื่อให้ลำดับการสอนทำได้ง่ายขึ้น แต่จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละเชลล์สำหรับอะตอมขนาดใหญ่ที่จริงแล้วมีจำนวนที่ต่างไปจากนี้ เช่น 2, 8, 18, 32, 50, 72 แต่ต้องเป็นนักศึกษาชั้นสูงจึงค่อยทำความเข้าใจกับความซับซ้อนนี้
[ แก้ ] ตามคำนิยามแล้ว อะตอมสองตัวที่มีจำนวนโปรตอน ในนิวเคลียสเท่ากัน จะเป็นอะตอมของธาตุ ชนิดเดียวกัน อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอน แตกต่างกันจัดว่าเป็นไอโซโทป ของธาตุเดียวกัน ตัวอย่างเช่น อะตอมของไฮโดรเจนทั้งหมดจะมีโปรตอน 1 ตัวเหมือนกัน แต่ไอโซโทปของไฮโดรเจนมีหลายชนิด ตั้งแต่แบบไม่มีนิวตรอน คือไฮโดรเจน-1 , แบบนิวตรอน 1 ตัว (ดิวเทอเรียม ), แบบนิวตรอน 2 ตัว (ทริเทียม ) และที่มีนิวตรอนมากกว่า 2 ตัว ไฮโดรเจน-1 เป็นรูปแบบที่พบกันแพร่หลายมากที่สุด บางคราวก็เรียกว่า โปรเทียม[ 55] ออกาเนสซอน ซึ่งเป็นธาตุที่มีโปรตอน 118 ตัว[ 56] สารกัมมันตรังสี [ 57] [ 58]
มีนิวไคลด์อยู่ 339 ชนิดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก [ 59] ไอโซโทปเสถียร ในบรรดาธาตุ 80 ชนิดจะมีไอโซโทปเสถียรอย่างน้อย 1 ตัว สำหรับธาตุหมายเลข43 ,61 , และทุกธาตุที่หมายเลข83 หรือสูงกว่า ไม่มีไอโซโทปที่เสถียร อาจกำหนดเป็นกฎได้ว่า สำหรับธาตุทุกชนิด มีไอโซโทปเสถียรอยู่เพียงจำนวนน้อยนิด เฉลี่ยมีไอโซโทปเสถียรประมาณ 3.1 ตัวต่อธาตุที่มีไอโซโทปเสถียร มีธาตุอยู่ 27 ชนิดที่มีไอโซโทปเสถียรเพียงตัวเดียว ขณะที่จำนวนไอโซโทปเสถียรมากที่สุดเท่าที่เคยพบคือ 10 โดยพบในดีบุก [ 60]
ความเสถียรของไอโซโทปเกิดจากสัดส่วนระหว่างโปรตอนต่อนิวตรอน รวมไปถึง "จำนวนมหัศจรรย์" ของนิวตรอนหรือโปรตอนที่แสดงถึงระดับพลังงานควอนตัมทั้งแบบ closed และแบบ filled ระดับชั้นพลังงานควอนตัมเหล่านี้คือระดับพลังงานภายในแบบจำลองชั้นพลังงานของนิวเคลียส ดังเช่น filled shell ของโปรตอน 50 ตัวในดีบุก แสดงถึงความเสถียรของนิวไคลด์แบบไม่ปกติ จากจำนวนนิวไคลด์เสถียรทั้งหมดที่รู้จักกัน 256 ชนิด มีเพียง 4 ชนิดเท่านั้นที่มีจำนวนโปรตอนและ นิวตรอนเป็นเลขคี่ ได้แก่ไฮโดรเจน-2 (ดิวเทอเรียม ),ลิเธียม-6 ,โบรอน-10 และไนโตรเจน-14 นอกจากนี้ สำหรับนิวไคลด์กัมมันต์แบบคี่-คี่ ที่มีครึ่งชีวิตมากกว่าพันล้านปี ก็มีเพียง 4 ชนิดเท่านั้นคือโปแตสเซียม-40 ,วานาเดียม-50 ,แลนทานัม-138 และแทนทาลัม-180m นิวเคลียสที่มีจำนวนแบบคี่-คี่ ส่วนใหญ่จะไม่เสถียรอย่างมากโดยเกิดการสลายปลดปล่อยอนุภาคบีตา เพราะผลจากการสลายนั้นจะได้จำนวนมาเป็นแบบคู่-คู่ ซึ่งเป็นพันธะที่แข็งแรงกว่า ตาม nuclear pairing effects[ 60]
เนื่องจากมวลส่วนมากของอะตอมอยู่ในโปรตอนและนิวตรอน ดังนั้นจำนวนรวมของอนุภาคเหล่านี้ (เรียกรวมกันว่า "นิวคลีออน") ในอะตอมหนึ่ง ๆ จึงเรียกว่าเป็นเลขมวล โดยมากมักจะแสดงมวลนิ่ง โดยใช้หน่วยมวลอะตอม (u) ซึ่งบางครั้งก็เรียกว่า ดาลตัน (Da) หน่วยนี้นิยามจาก 1 ส่วน 12 ของมวลของอะตอมอิสระที่เป็นกลางของคาร์บอน-12 ซึ่งมีค่าประมาณ 1.66× 10 −27 kg[ 61] ไฮโดรเจน-1 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่เบาที่สุดของไฮโดรเจนและเป็นอะตอมที่มีมวลน้อยที่สุด มีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 1.007825 u[ 62] [ 63] อะตอมเสถียร ที่หนักที่สุด คือ ตะกั่ว-208[ 57] u[ 64]
ถึงแม้จะเป็นอะตอมที่มีมวลมากที่สุด มันก็ยังเบาเกินกว่าที่เราจะไปทำอะไรด้วยโดยตรงได้ นักเคมีจึงนิยมใช้หน่วยโมล แทน โมลมีนิยามว่า หนึ่งโมลของธาตุใด ๆ จะมีจำนวนอะตอมเท่ากันเสมอ (ประมาณ6.022× 10 23 ) ที่เลือกใช้จำนวนนี้ก็เพื่อว่า ถ้าธาตุใด ๆ มีเลขอะตอมเป็น 1 u แล้ว โมลอะตอมของธาตุนั้นจะมีมวลใกล้เคียงกับ 0.001 กก. หรือ 1 กรัม อาศัยคำนิยามของหน่วยมวลอะตอม นี้คาร์บอน-12 จึงมีมวลอะตอมเท่ากับ 12 u พอดี และหนึ่งโมลของอะตอมคาร์บอนมีน้ำหนักเท่ากับ 0.012 กก.[ 61]
เราไม่สามารถบอกขอบเขตที่แน่นอนของอะตอมได้ การบอกขนาดของอะตอมจึงมักอธิบายในลักษณะรัศมีอะตอม คือการวัดระยะห่างของเมฆอิเล็กตรอนที่แผ่ออกไปจากนิวเคลียส อย่างไรก็ดี การบอกระยะห่างเช่นนี้อยู่บนสมมุติฐานว่าอะตอมมีรูปร่างเป็นทรงกลม ซึ่งจะเป็นจริงก็ต่อเมื่ออะตอมนั้นอยู่ในสุญญากาศหรืออวกาศเสรีเท่านั้น รัศมีอะตอมหาได้จากระยะห่างระหว่างนิวเคลียสอะตอม 2 ตัวที่ดึงดูดกันอยู่ในพันธะเคมี มีค่าแปรเปลี่ยนไปตามแต่ตำแหน่งของอะตอมบนแผนผังอะตอม หรือตามชนิดของพันธะเคมี จำนวนอะตอมเพื่อนบ้าน (เลขโคออร์ดิเนชัน ) และคุณสมบัติทางควอนตัม ที่เรียกว่าสปิน [ 65] ตารางธาตุ ขนาดอะตอมมีแนวโน้มเพิ่มสูงขึ้นถ้ายิ่งอยู่ในคอลัมน์ที่ต่ำลงไปข้างล่าง แต่มีขนาดเล็กลงหากเปรียบเทียบจากด้านซ้ายไปขวา[ 66] พิโคเมตร ส่วนอะตอมใหญ่ที่สุดคือซีเซียม มีขนาด 225 พิโคเมตร[ 67]
ถ้าอะตอมอยู่ในสนามพลังงานอื่น ๆ เช่นสนามไฟฟ้า รูปร่างของอะตอมจะบิดเบี้ยวไปไม่เป็นทรงกลม การเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับขนาดความแรงของสนามพลังงานและชนิดวงโคจรของอิเล็กตรอนในเชลล์นอกสุด ซึ่งแสดงไว้ในทฤษฎีกรุป การเปลี่ยนแปลงรูปร่างอื่น ๆ เช่นรูปทรงคริสตัล เกิดขึ้นจากสนามพลังงานไฟฟ้า-คริสตัล ในการก่อตัวแบบสมมาตรต่ำ [ 68] ทรงรี เกิดขึ้นกับไอออนซัลเฟอร์ในสารประกอบประเภท pyrite[ 69]
มิติของอะตอมนั้นเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสง (400-700 นาโนเมตร) นับหลายพันเท่า จึงไม่สามารถมองดูอะตอมด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ได้ อย่างไรก็ดี เราสามารถสังเกตการณ์อะตอมเดี่ยว ๆ ได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ ซึ่งบางตัวอย่างอาจแสดงให้เห็นความเล็กจิ๋วของอะตอมได้ เส้นผมของมนุษย์มีขนาดความกว้างประมาณ 1 ล้านเท่าของอะตอมคาร์บอน[ 70] × 10 21 ) และอะตอมไฮโดรเจนอีก 2 เท่าของจำนวนนี้[ 71] เพชร 1กะรัต มีมวล 2× 10 − 422 ) อะตอม[ note 2] [ 72]
[ แก้ ] ไดอะแกรมแสดงครึ่งชีวิต (T½ ) ของไอโซโทปหลายตัวที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากับ Z และจำนวนนิวตรอนเท่ากับ N ธาตุทุกชนิดจะมีไอโซโทปอย่างน้อยหนึ่งตัวที่มีนิวเคลียสที่ไม่เสถียร และมีการสลายตัวของกัมมันตรังสี ทำให้นิวเคลียสนั้นปลดปล่อยอนุภาคออกมาหรือเกิดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า การแผ่กัมมันตรังสีสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อรัศมีของนิวเคลียสมีขนาดใหญ่กว่าเทียบกับรัศมีของแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ซึ่งส่งแรงได้ในระยะทางเพียง 1 fm[ 73]
รูปแบบการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีที่พบกันมากที่สุด ได้แก่[ 74] [ 75]
การสลายปลดปล่อยอนุภาคอัลฟา เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสปลดปล่อยอนุภาคอัลฟาออกมา คือนิวเคลียสฮีเลียมที่ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว ผลจากการแผ่รังสีชนิดนี้จะได้ธาตุใหม่ที่มีเลขอะตอม น้อยลงการสลายปลดปล่อยอนุภาคบีตา เกิดขึ้นเนื่องจากแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงนิวตรอนกลายไปเป็นโปรตอน หรือโปรตอนกลายเป็นนิวตรอน แบบแรกคือการแผ่อิเล็กตรอน 1 ตัวกับแอนตินิวตริโน 1 ตัว ส่วนแบบที่สองเป็นการแผ่โพสิตรอน 1 ตัวกับนิวตริโน 1 ตัว การแผ่อนุภาคของอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนนั้นเรียกว่าอนุภาคบีตา ผลจากการแผ่รังสีชนิดนี้อาจทำให้เลขอะตอมของนิวเคลียสเพิ่มขึ้นหรือลดลงอย่างละ 1 หน่วยการสลายปลดปล่อยอนุภาคแกมมา เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของนิวเคลียสไปยังระดับที่ต่ำกว่า ทำให้เกิดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา อาจเกิดขึ้นหลังจากมีการปลดปล่อยอนุภาคอัลฟาหรือบีตาในการสลายตัวของกัมมันตรังสีแล้วก็ได้การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีแบบอื่น ๆ ที่พบค่อนข้างน้อย ได้แก่การปล่อยลำอนุภาคนิวตรอนหรือโปรตอน หรือกลุ่มของนิวคลีออน จากนิวเคลียส การปล่อยอนุภาคบีตา มากกว่า 1 ตัว หรือการเกิดอิเล็กตรอนความเร็วสูง (จากการแปลงผันภายใน ) ซึ่งมิใช่รังสีบีตา และโฟตอนพลังงานสูงที่มิใช่รังสีแกมมา
ไอโซโทปกัมมันต์แต่ละตัวจะมีระยะเวลาในการปลดปล่อยอนุภาค หรือครึ่งชีวิต ที่เฉพาะตัว ซึ่งกำหนดจากระยะเวลาที่ต้องใช้ในการทำให้สารตัวอย่างนั้นสลายตัวไปเหลือเพียงครึ่งเดียว อันเป็นกระบวนการสลายตัวแบบเอ็กโปเนนเชียล สัดส่วนของไอโซโทปที่เหลืออยู่เป็น 50% ของทุก ๆ ระยะครึ่งชีวิตจะลดลงเรื่อย ๆ นั่นคือ หลังจากที่ผ่านระยะครึ่งชีวิตไป 2 ครั้ง จะเหลือปริมาณไอโซโทปนั้นอยู่ 25% ของจำนวนในครั้งแรก และลดลงในลักษณะนี้ไปเรื่อย ๆ[ 73]
อนุภาคมูลฐานจะมีคุณสมบัติภายในเชิงกลศาสตร์ควอนตัมประการหนึ่งรู้จักกันในชื่อสปิน หากเปรียบเทียบก็อาจคล้ายคลึงกับโมเมนตัมเชิงมุม ของวัตถุที่หมุนรอบจุดศูนย์กลางมวล ของตัวเอง แม้ว่าถ้าจะพูดให้เคร่งครัดแล้ว อนุภาคเหล่านี้มีลักษณะเป็นเหมือนจุดซึ่งไม่สามารถบอกได้ว่ามันกำลังหมุน การวัดค่าสปินใช้หน่วยของค่าคงที่ของพลังค์ (ħ) โดยที่อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ล้วนมีค่าสปิน ½ ħ, or "spin-½" ในอะตอมหนึ่ง ๆ อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียส จะมีโมเมนตัมเชิงมุมในวงโคจรเพิ่มไปกับสปินของมัน ขณะที่ตัวนิวเคลียสเองนั้นมีโมเมนตัมเชิงมุมขึ้นกับนิวเคลียร์สปินของมัน[ 76]
สนามแม่เหล็ก ที่เกิดขึ้นโดยอะตอม (หรือโมเมนต์แม่เหล็กของมัน) สามารถนิยามได้จากรูปแบบที่แตกต่างกันของโมเมนตัมเชิงมุม ว่าเป็นวัตถุมีประจุที่กำลังหมุนรอบตัวเองและสร้างสนามแม่เหล็กออกมา อย่างไรก็ดี คุณลักษณะอันโดดเด่นที่สุดก็เกิดขึ้นมาจากสปิน โดยธรรมชาติของอิเล็กตรอนแล้ว มันจะเป็นไปตามหลักการกีดกันของเพาลี กล่าวคือ ไม่มีทางที่จะพบอิเล็กตรอน 2 ตัวอยู่ในสถานะควอนตัม เดียวกันได้ อิเล็กตรอนที่เป็นคู่จะอยู่ตรงกันข้ามกัน ถ้าสมาชิกหนึ่งอยู่ในสถานะสปินขึ้น อีกตัวจะอยู่ในสถานะตรงกันข้าม คือสปินลง ดังนั้นค่าสปินทั้งสองจะหักล้างกันเอง ทำให้ลดแรงแม่เหล็กสองขั้วลงเป็นศูนย์สำหรับอะตอมบางตัวที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเป็นเลขคู่[ 77]
ในธาตุที่มีคุณสมบัติของแม่เหล็กเฟอร์โร อย่างเช่น เหล็ก จำนวนอิเล็กตรอนที่เป็นเลขคี่ทำให้มีอิเล็กตรอนเหลือซึ่งไม่มีคู่ และทำให้เกิดผลรวมโมเมนต์แม่เหล็กสุทธิขึ้น วงโคจรของอะตอมข้างเคียงจะซ้อนทับกัน และไปสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่าเมื่อสปินของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ได้แนวตรงกันกับตัวอื่น กระบวนการนี้รู้จักกันในชื่อ อันตรกิริยาแลกเปลี่ยน (exchange interaction) เมื่อเกิดแนวโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมแม่เหล็กเฟอร์โรขึ้น สสารนั้นก็สามารถสร้างสนามแรงขนาดใหญ่ขึ้นจนตรวจวัดได้ สสารแบบพาราแม็กเนติกมีอะตอมที่มีโมเมนต์แม่เหล็กซึ่งสร้างแนวขึ้นในทิศทางแบบสุ่มโดยที่ไม่สามารถตรวจพบสนามแม่เหล็กเลย แต่โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมแต่ละตัวนั้นเรียงแนวกันตามการก่อตัวของสนาม[ 77] [ 78]
นิวเคลียสของอะตอมก็สามารถมีค่าสปินสุทธิได้เช่นกัน ตามปกติแล้วนิวเคลียสเหล่านี้จะเรียงตัวกันในทิศทางแบบสุ่ม อันเนื่องมาจากสภาวะสมดุลความร้อน อย่างไรก็ดี มีธาตุบางตัว (เช่นซีนอน-129 ซึ่งมีความเป็นไปได้ในการเกิดขั้วสปินที่สถาวะนิวเคลียร์สปินอย่างมีนัยสำคัญ จนมันเรียงตัวกันในทิศทางเดียวกันได้ เงื่อนไขเช่นนี้เรียกว่า hyperpolarization ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้กับการสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก (MRI)[ 79] [ 80]
อิเล็กตรอนที่ถูกดึงดูดอยู่ภายในอะตอมหนึ่ง ๆ จะมีพลังงานศักย์ ซึ่งแปรผกผันกับระยะห่างของมันจากนิวเคลียส ค่านี้วัดได้จากขนาดของพลังงานที่จำเป็นต้องใช้เพื่อให้อิเล็กตรอนนั้นหลุดออกจากอะตอม โดยปกติใช้หน่วยวัดเป็นอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ในแบบจำลองกลศาสตร์ควอนตัม อิเล็กตรอนที่มีพันธะจะสามารถครอบครองสถานะจำนวนหนึ่งรอบนิวเคลียส แต่ละสถานะนั้นสอดคล้องกับระดับพลังงานที่เฉพาะเจาะจง ระดับพลังงานที่ต่ำที่สุดของอิเล็กตรอนเรียกว่า สภาวะพื้น (ground state) ส่วนอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานที่สูงกว่าจะเรียกว่าอยู่ในสภาวะกระตุ้น (excited state)[ 81]
อิเล็กตรอนที่มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างสภาวะที่แตกต่างกันสองสภาวะ จะต้องดูดซับหรือปลดปล่อยโฟตอน ออกมาที่ระดับพลังงานหนึ่งซึ่งเท่ากับค่าแตกต่างของพลังงานศักย์ของสภาวะทั้งสอง พลังงานของโฟตอนที่ปลดปล่อยออกมาเป็นสัดส่วนกับความถี่ ของมัน ดังนั้นระดับพลังงานที่เฉพาะเจาะจงจะมีช่วงสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เป็นเอกลักษณ์[ 82] [ 83]
ตัวอย่างเส้นดูดกลืนในสเปกตรัม เมื่อสเปกตรัมพลังงานที่ต่อเนื่องผ่านแก๊สหรือพลาสมา โฟตอนบางส่วนจะถูกอะตอมดูดกลืนไป ทำให้อิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลงระดับพลังงาน อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นเหล่านั้นซึ่งยังคงถูกดึงดูดอยู่กับอะตอม จะปลดปล่อยพลังงานออกมาอย่างต่อเนื่องเป็นโฟตอน โดยปลดปล่อยออกมาทุกทิศทางอย่างสุ่ม จากนั้นก็ตกลงไปยังระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ดังนั้นอะตอมจึงทำตัวเหมือนตัวกรอง ซึ่งทำให้เกิดแนวเส้นดูดกลืนมืด ๆ ต่อเนื่องขึ้นที่พลังงานที่ส่งออกมา (ผู้สังเกตที่มองดูอะตอมจากมุมอื่นซึ่งไม่ได้รวมเอาสเปกตรัมต่อเนื่องเป็นฉากหลัง จะมองเห็นเส้นปลดปล่อยของโฟตอนที่ปลดปล่อยออกมาจากอะตอมแทน) เครื่องมือวัดสเปกโตรสโกปี สำหรับความแรงและความกว้างของเส้นสเปกตรัม จะช่วยให้เราสามารถระบุองค์ประกอบและคุณสมบัติทางกายภาพของสสารนั้นได้[ 84]
การตรวจสอบเส้นสเปกตรัมอย่างละเอียดพบว่ามีการแบ่งแยกเชิงโครงสร้างอย่างละเอียดจำนวนหนึ่ง ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการคู่ควบของสปินกับออร์บิท (spin-orbit coupling) อันเป็นอันตรกิริยาระหว่างสปินกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนชั้นนอกสุด[ 85] ปรากฏการณ์ซีแมน (Zeeman effect) ซึ่งเกิดขึ้นจากอันตรกิริยาของสนามแม่เหล็กกับโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมและอิเล็กตรอนภายใน อะตอมบางตัวอาจมีการจัดเรียงอิเล็กตรอน ที่ระดับพลังงานเดียวกัน ซึ่งจะปรากฏออกมาเป็นเส้นสเปกตรัมหนึ่งเส้น อันตรกิริยาระหว่างสนามแม่เหล็กกับอะตอมจะทำให้การจัดเรียงอิเล็กตรอนนี้เคลื่อนไปที่ระดับพลังงานระดับอื่น ส่งผลให้มีเส้นสเปกตรัมหลายเส้น[ 86] ปรากฏการณ์สตาร์ค (Stark effect)[ 87]
ถ้าอิเล็กตรอนใต้แรงดึงดูดอยู่ในสภาวะกระตุ้น โฟตอนที่มีพลังงานเหมาะสมสามารถเปล่งแสง ด้วยระดับพลังงานที่ตรงกัน การจะเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ อิเล็กตรอนต้องลดระดับพลังงานลงไปยังสภาวะที่ต่ำกว่าที่ทำให้มีความแตกต่างของระดับพลังงานเท่ากับพลังงานของโฟตอนที่อยู่ในภาวะกระตุ้น โฟตอนที่เปล่งแสงออกมากับโฟตอนในสภาวะกระตุ้นจะเคลื่อนตัวออกโดยขนานกันและด้วยเฟสที่ตรงกัน นั่นก็คือรูปแบบของคลื่นของโฟตอนทั้งสองนั้นสอดประสานกันพอดี คุณสมบัติทางกายภาพเช่นนี้ใช้ในการสร้างเลเซอร์ ซึ่งสามารถเปล่งลำแสงเชื่อมต่อกันของพลังงานแสงภายในแถบความถี่แคบ ๆ แถบหนึ่ง[ 88]
[ แก้ ] วงโคจรอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของอะตอมในสภาวะที่ไม่ได้รวมกัน รู้จักกันในชื่อว่า วงโคจรเวเลนซ์ อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนี้จะเรียกชื่อว่าเวเลนซ์อิเล็กตรอน จำนวนของเวเลนซ์อิเล็กตรอนหาได้จากพฤติกรรมของแรงยึดเหนี่ยวกับอะตอมอื่น ๆ เพราะอะตอมมีแนวโน้มจะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับอะตอมอื่น ๆ ในลักษณะที่คอยเติมเต็ม (หรือทำให้ว่าง) วงโคจรเวเลนซ์ชั้นนอกสุด[ 89] โซเดียมคลอไรด์ และเกลือไอออนทางเคมีอื่น ๆ อย่างไรก็ดี ธาตุหลายชนิดปรากฏว่ามีเวเลนซ์หลายตัว หรือมีแนวโน้มที่จะมีจำนวนอิเล็กตรอนในสารประกอบที่แตกต่างกันเป็นจำนวนไม่เท่ากัน ดังนั้นพันธะเคมีระหว่างธาตุเหล่านี้จึงทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนหลายรูปแบบซึ่งมีการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนมากกว่า 1 ตัว ตัวอย่างเหล่านี้รวมไปถึงธาตุคาร์บอนและสารประกอบอินทรีย์ อื่น ๆ[ 90]
ธาตุเคมีมักจะปรากฏตัวในตารางธาตุ ซึ่งวางตำแหน่งตามคุณสมบัติทางเคมีที่ปรากฏ ธาตุที่มีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็นเลขเดียวกันจะจับกลุ่มรวมกันแสดงในแนวดิ่งในตาราง หรืออยู่ในคอลัมน์เดียวกัน (ส่วนแถวแนวนอนสื่อถึงการเติมวงโคจรควอนตัมของอิเล็กตรอน) ธาตุที่อยู่ทางขวาของตารางจะมีอิเล็กตรอนในวงโคจรชั้นนอกอย่างสมบูรณ์ ทำให้มันมีลักษณะเฉื่อยในทางเคมี รู้จักกันในชื่อแก๊สมีสกุล [ 91] [ 92]
ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ แสดงให้เห็นอะตอมแต่ละตัวที่ประกอบอยู่บนพื้นผิวของทองคำ (100 )การเรียงตัวใหม่บนพื้นผิว ทำให้อะตอมบนพื้นผิวบิดเบี้ยวไปจากโครงสร้างคริสตัล แบบเดิม และเรียงตัวใหม่เป็นหลาย ๆ แถวโดยมีช่องว่างระหว่างแต่ละแถว กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ คือเครื่องมือที่ใช้ในการตรวจดูพื้นผิวในระดับอะตอม อาศัยปรากฏการณ์ quantum tunneling ซึ่งยอมให้อนุภาคข้ามผ่านชั้นพลังงานที่ตามปกติแล้วจะข้ามไปไม่ได้ อุโมงค์อิเล็กตรอนในสุญญากาศระหว่างแผ่นโลหะอิเล็กโทรดสองชิ้นซึ่งมีชั้นของอะตอมสะสมอยู่ จะทำให้เกิดความหนาแน่นของกระแสในอุโมงค์จนทำให้สามารถตรวจวัดได้ การสแกนอะตอมตัวหนึ่ง (เรียกว่า tip) ขณะที่มันวิ่งผ่านอะตอมอีกตัวหนึ่ง (อะตอมตัวอย่าง) ทำให้สามารถวาดภาพการเคลื่อนที่ของ tip เทียบกับกระแสการเคลื่อนที่ของอะตอมที่แยกกัน ผลการคำนวณทำให้เราสามารถสร้างภาพจากกล้องจุลทรรศน์ scanning tunneling microscope ขึ้นมาเป็นภาพของอะตอมแต่ละอะตอมได้ ภาพเหล่านี้ช่วยยืนยันว่า ที่การกระตุ้นขนาดต่ำ ระยะห่างเฉลี่ยของวงโคจรอิเล็กตรอนจะอยู่ใกล้กับระดับพลังงานแฟร์มี ซึ่งเป็นระดับความหนาแน่นของสถานะ โดยปกติ[ 98] [ 99]
อะตอมอาจมีประจุขึ้นมาได้ถ้าเอาอิเล็กตรอนตัวหนึ่งออกไปเสีย ประจุไฟฟ้าจะทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่ของอะตอมเอียงโค้งไปเมื่อเดินทางผ่านบริเวณสนามแม่เหล็ก รัศมีการโค้งไปของไอออนที่เคลื่อนที่อันเนื่องจากสนามแม่เหล็กนั้นสามารถบอกได้จากมวลของอะตอม หลักการนี้นำไปใช้ในเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ของมวล เพื่อตรวจวัดอัตราส่วนมวลต่อประจุ (mass-to-charge ratio) ของไอออน ถ้าตัวอย่างที่ตรวจวัดมีไอโซโทปหลายตัว สเปกโตรมิเตอร์ของมวลจะสามารถระบุสัดส่วนของแต่ละไอโซโทปในตัวอย่างนั้นได้โดยการวัดความเข้มของลำไอออนแต่ละตัวที่แตกต่างกัน เทคนิคในการทำให้อะตอมระเหิดนี้รวมไปถึงinductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) และinductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) ซึ่งทั้ง 2 วิธีนี้ใช้พลาสมาในการทำให้อะตอมตัวอย่างระเหิดเพื่อทำการวิเคราะห์[ 100]
สำหรับกระบวนวิธีที่เจาะจงมากกว่านี้ได้แก่ การตรวจวัดการสูญเสียพลังงานของอิเล็กตรอน (electron energy loss spectroscopy) ซึ่งจะตรวจวัดพลังงานที่สูญเสียจากลำอิเล็กตรอนภายในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่าน เมื่อมันทำอันตรกิริยากับอะตอมตัวอย่าง ภาพโทโมกราฟ ของอะตอมโพรบ ได้ผลลัพธ์สามมิติในระดับต่ำกว่านาโนเมตร และสามารถใช้เครื่อง time-of-flight mass spectrometry เพื่อระบุคุณสมบัติทางเคมีของอะตอมได้[ 101]
เราสามารถใช้สเปกตรัมของสถานะกระตุ้นของอะตอมในการวิเคราะห์องค์ประกอบอะตอมในดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลได้ แสงที่สังเกตการณ์จากดาวฤกษ์เหล่านั้นประกอบด้วยความยาวคลื่นแสงขนาดหนึ่ง ๆ ซึ่งสามารถแยกแยะออกได้โดยมีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงควอนตัมของอะตอมแก๊สอิสระ อาศัยหลอดปล่อยประจุ ที่บรรจุธาตุชนิดเดียวกันทำให้เราสามารถเลียนแบบสีแบบเดียวกันได้[ 102] ฮีเลียม ถูกค้นพบด้วยวิธีการเช่นนี้โดยตรวจได้จากสเปกตรัมของดวงอาทิตย์เป็นเวลา 23 ปีก่อนที่จะพบมันบนโลกเสียอีก[ 103]
[ แก้ ] อะตอมเป็นส่วนประกอบราว 4% ของความหนาแน่นพลังงานรวมทั้งหมดในเอกภพที่สังเกตได้ โดยมีค่าความหนาแน่นเฉลี่ยประมาณ 0.25 อะตอมต่อลูกบาศก์เมตร[ 104] ทางช้างเผือก จะมีอะตอมอยู่เป็นจำนวนหนาแน่นมากกว่ามาก โดยมีความหนาแน่นของสสารในสสารระหว่างดาว ระหว่าง 105 ถึง 109 อะตอม/ลบ.ม.[ 105] ฟองท้องถิ่น ซึ่งเป็นบริเวณกลุ่มแก๊สที่มีประจุสูง ดังนั้นความหนาแน่นของบริเวณโดยรอบระบบสุริยะจึงมีเพียง 103 อะตอม/ลบ.ม.[ 106] [ 107] สสารมืด )[ 108]
[ แก้ ] โปรตอนและอิเล็กตรอนที่เสถียรเกิดขึ้นหลังจากเกิดบิกแบง เพียงหนึ่งวินาที ระหว่างช่วงสามนาทีต่อมาบิกแบงนิวคลีโอซินทีสิส ได้สร้างสสารส่วนใหญ่ของฮีเลียม ลิเทียม และดิวเทอเรียม ขึ้นในเอกภพ และบางทีอาจรวมถึงเบอริลเลียม และโบรอน ด้วย[ 109] [ 110] [ 111] [ 112] ดาวฤกษ์ ผ่านกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชัน และสร้างธาตุต่าง ๆ ขึ้นไปจนถึงเหล็ก[ 113]
ไอโซโทปบางตัวเช่น ลิเทียม-6 เกิดขึ้นในอวกาศโดยผ่านสปอลเลชั่นของรังสีคอสมิก[ 114] มหานวดารา ผ่านกระบวนการอาร์ และในแขนงดาวยักษ์เชิงเส้นกำกับ ผ่านกระบวนการเอส ทั้งสองกระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการที่นิวเคลียสอะตอมจับนิวตรอนเอาไว้[ 115] ตะกั่ว ส่วนใหญ่ก่อตัวขึ้นผ่านกระบวนการสลายให้กัมมันตรังสีของธาตุที่หนักกว่า[ 116]
อะตอมส่วนมากที่ก่อตัวกันขึ้นเป็นโลก และสิ่งมีชีวิตที่อยู่บนโลกนั้นเกิดขึ้นจากการสลายตัวของเนบิวลา ที่อยู่ในเมฆโมเลกุล เพื่อก่อตัวขึ้นเป็นระบบสุริยะ ส่วนที่เหลือเป็นผลจากการสลายตัวให้กัมมันตรังสี ส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกันนี้สามารถนำมาใช้เพื่อระบุถึงอายุของโลกได้[ 117] [ 118] ฮีเลียม ส่วนมากที่อยู่บริเวณเปลือกของโลก (ประมาณ 99% เป็นก๊าซ เช่นฮีเลียม-3 ที่มีอยู่เป็นจำนวนมหาศาล) เป็นผลที่เกิดจากการสลายปลดปล่อยอนุภาคอัลฟา [ 119]
มีอะตอมบางส่วนที่ตรวจพบว่าไม่ได้มีอยู่ตั้งแต่ตอนแรกกำเนิดโลก ทั้งไม่ได้เป็นผลที่เกิดจากการสลายตัวให้กัมมันตรังสี เช่นคาร์บอน-14 เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจากรังสีคอสมิกในชั้นบรรยากาศ[ 120] [ 121] [ 122] ธาตุหลังยูเรเนียม —คือพวกที่มีเลขอะตอมมากกว่า 92— มีเพียงพลูโตเนียม กับเนปจูเนียม เท่านั้นที่เกิดขึ้นบนโลกโดยธรรมชาติ[ 123] [ 124] [ 125] พลูโตเนียม-244 ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นจากฝุ่นคอสมิก[ 117] [ 126]
โลกมีอะตอมอยู่ประมาณ× 1050 [ 127] ก๊าซเฉื่อย อยู่บ้างเล็กน้อย เช่นอาร์กอน และนีออน ส่วนที่เหลือ 99% ของบรรยากาศจะอยู่ในรูปของโมเลกุล ซึ่งรวมไปถึงคาร์บอนไดออกไซด์ ออกซิเจน โมเลกุลคู่ และไนโตรเจน ที่พื้นผิวของโลก อะตอมรวมตัวกันเข้าเป็นสารประกอบหลายชนิด รวมถึงน้ำ เกลือ ซิลิเกต และออกไซด์ อะตอมสามารถรวมตัวกันกลายเป็นสสารใหม่ซึ่งไม่ได้ประกอบด้วยโมเลกุลที่แยกจากกันก็ได้ เช่นคริสตัล และโลหะ ที่เป็นของเหลวหรือของแข็ง[ 128] [ 129]
[ แก้ ] ขณะที่ทราบกันดีว่า ไอโซโทปซึ่งมีเลขอะตอมสูงกว่าตะกั่ว (82) นั้นเป็นสารกัมมันตรังสี แต่ก็มีแนวคิด "เกาะแห่งความเสถียร " สำหรับธาตุจำนวนหนึ่งที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 103 ธาตุหนักมากเหล่านี้อาจมีนิวเคลียสที่ค่อนข้างเสถียรมากกว่าเมื่อเทียบกับสารสลายกัมมันตรังสี[ 130] อูนไบเฮกเซียม ซึ่งมีโปรตอน 126 ตัวและนิวตรอน 184 ตัว[ 131]
อนุภาคแต่ละตัวของสสารจะมีปฏิสสาร ที่คู่กันเสมอโดยมีประจุไฟฟ้าที่ตรงกันข้าม ดังนั้นโพสิตรอน ก็คือแอนติอิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นบวก และแอนติโปรตอนก็เทียบเท่ากับโปรตอนที่มีประจุเป็นลบ เมื่อสสารกับปฏิสสารของมันมาพบกัน ก็จะทำลายล้างกันและกัน ด้วยเหตุนี้ประกอบกับความไม่สมดุลระหว่างจำนวนของสสารและปฏิสสาร เราจึงพบปฏิสสารในเอกภพได้ยากมาก (สาเหตุที่มีสสารกับปฏิสสารไม่สมดุลกันนั้นยังไม่เป็นที่เข้าใจกันนัก แม้ว่าทฤษฎีแบริโอเจเนซิส จะช่วยเสนอคำอธิบายได้บ้าง) เราจึงไม่สามารถพบอะตอมของปฏิสสารได้ในธรรมชาติ[ 132] [ 133] CERN ในเจนีวา ได้สังเคราะห์แอนติไฮโดรเจน ซึ่งเป็นปฏิสสารตรงข้ามกับไฮโดรเจนขึ้นได้สำเร็จ[ 134] [ 135]
อะตอมประหลาดอื่น ๆ ถูกสร้างขึ้นโดยการแทนที่โปรตอน นิวตรอน หรืออิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งด้วยอนุภาคอื่นที่มีประจุเดียวกัน ตัวอย่างเช่น การแทนที่อิเล็กตรอนด้วยมิวออน ซึ่งมีมวลมากกว่า ทำให้เกิดอะตอมมิวออนิก ขึ้น อะตอมจำพวกนี้สามารถใช้ทดสอบการทำนายพื้นฐานทางฟิสิกส์ได้[ 136] [ 137] [ 138]
