Atom helijuma
Ilustracija atoma helijuma . Prikazan je nukleus (ljubi?asto) i distribucija elektronskog oblaka (crno). Nukleus (gore desno) u helijumu-4 je u realnosti sferno simetri?an i blisko je sli?an elektronskom oblaku, mada kod komplikovanijih nukleusa to nije slu?aj. Crna linja predstavlja jedan angstrom ( ?ablon:FormattingError ili 100 pm).
Klasifikacija
Najmanja podela hemijskog elementa
Svojstva
Maseni opseg : ?ablon:FormattingError do ?ablon:FormattingError Elektri?no naelektrisanje : nula (neutralno), ili jonsko naelektrisanje Opseg dijametra : 62 pm ( He ) to 520 pm ( Cs ) Komponente : Elektroni i kompaktni nukleus protona i neutrona

Atom je najmanja gradivna ?estica obi?ne materije koja zadr?ava osobine nekog hemijskog elementa . Svako ?vrsto tijelo, te?nost, plin i plazma sastavljeni su iz neutralnih ili ioniziranih atoma. Atomi su veli?inom ekstremno mali, obi?no se njihova veli?ina kre?e oko 100 pikometara (deset-milijarditi dio metra).

Atomi su dovoljno mali tako da poku?aji da se pretpostavi njihovo pona?anje kori?tenjem postulata klasi?ne fizike , naprimjer prikazuju?i ih u obliku bilijarskih kugli i sli?no, daju izrazito neta?na predviđanja i rezultate, a uzrok toga su kvantni efekti . Tokom razvoja teoretske atomske fizike, u modele atoma uklju?eni su kvantni principi za bolje obja?njavanje i predviđanje pona?anja atoma.

Svaki atom sastavljen je iz atomskog jezgra i jednog ili vi?e elektrona vezanih za to jezgro. Atomsko jezgro sastavljeno je iz jednog ili vi?e protona i ?esto istog ili pribli?no istog broja neutrona . Protoni i neutroni nazivaju se i nukleoni . Vi?e od 99,94% mase atoma otpada na njegovo jezgro. Protoni imaju pozitivan elektri?ni naboj, elektroni negativan naboj, dok neutroni nemaju elektri?nog naboja. Ako u atomu postoji jednak broj protona i elektrona, takav atom je elektri?no neutralan. Ako atom ima vi?e ili manje elektrona od protona, tada je on op?enitno negativno ili pozitivno naelektrisan, te se naziva ion . Elektromagnetna sila privla?i elektrone protonima u atomskoj jezgri. Unutar jezgre, protoni i neutroni se međusobno privla?e nuklearnim silama , koja je obi?no mnogo sna?nija od elektromagnetnih sila koji odbija pozitivno naelektrisane protone jedne od drugih. Pod određenim okolnostima, odbijaju?a elektromagnetna sila postane ja?a od nuklearnih sila, te se nukleoni izbacuju iz jezgra, a atom tog elementa pretvara se u atom drugog elementa, ?to predstavlja nuklearni raspad, ?iji je krajnji rezultat nuklearna transmutacija.

Broj protona u jezgru definira kojem hemijskom elementu taj atom pripada; naprimjer, svi atomi bakra imaju 29 protona. Broj neutrona u jezgru definira izotop tog elementa. Broj elektrona utje?e na elektromagnetske osobine atoma. Atom se mo?e spojiti sa jednim ili vi?e drugih atoma putem hemijskih veza grade?i hemijske spojeve u vidu molekula . Sposobnost atoma da se međusobno spajaju i razdvajaju odgovorna je za ve?inu fizi?kih promjena koje se mogu zapaziti u prirodi i predmet je izu?avanja hemijskih nauka .

Glavni ?lanak: Atomska teorija

Ideja da je sva materija sastavljena iz sitnih ?estica je vrlo stara ideja, koja se pojavljuje u mnogim drevnim kulturama poput gr?ke i indijske. Rije? "atom" ( gr?ki : ?τομο? , atomos ), ?to zna?i "nedjeljiv", "koji se ne mo?e rezati", prvi je spomenuo anti?ki gr?ki filozof Leukip i njegov u?enik Demokrit . ^{[1] [2] [3] [4]} Demokrit je smatrao da je broj atoma beskona?an, da ne mogu nastati niti nestati, da su vje?ni te da su osobine nekog predmeta rezultat toga od koje vrste atoma je sastavljen. ^{[2] [3] [4]} Demokritov atomizam razradio je i usavr?io kasniji filozof Epikur . ^{[3] [4]}

Tokom ranog Srednjeg vijeka , na atomizam se gotovo zaboravilo u zapadnoevropskoj filozofiji, ali je "pre?ivio" u radovima nekih islamskih filozofa . ^[3] Tokom 12. vijeka, u zapadnoj Evropi ponovno se javljaju ideje atomizma, koga su tada?nji evropski filozofi spoznali kroz iznova "otkrivene" Aristotelove radove. ^[3] U 14. vijeku, ponovna "otkri?a" velikih dijela anti?kih atomista, uklju?uju?i djela Lukrecija De rerum natura i Diogena Laertija ?ivoti i mi?ljenja eminentnih filozofa , dovela su do pove?anja interesovanja za ovu temu. ^[3] Ipak, po?to je atomizam bio vezan sa filozofijom Epikura , ?to je bilo u suprotnosti sa ortodoksnim kr??anskim u?enjem, vjerovanje u postojanje atoma nije bilo prihvatljivo. ^[3] Francuski katoli?ki sve?tenik Pierre Gassendi (1592?1655) o?ivio je Epikurov atomizam uz određena prilagođavanja, tako da je tvrdio da je atome kreirao Bog , pa iako ih ima u nezamislivo ogromnom broju, taj broj nije beskona?an. ^{[3] [4]} Gassendijeva izmijenjena atomska teorija bila je ?iroko prihva?ena u Francuskoj, a zagovarao ju je i fizi?ar Francois Bernier (1620?1688), kao i u Engleskoj gdje se njome bavio filozof Walter Charleton (1619?1707). ^[3] Hemi?ar Robert Boyle i fizi?ar Isaac Newton (1642?1727) branili su postulate atomizma te je on krajem 17. vijeka postao prihva?ena teorija u nau?nim krugovima. ^[3]

Po?etkom 19. vijeka, John Dalton je koristio koncept atoma u obja?njavanju teorija za?to elementi uvijek reagiraju u odnosima malih cijelih brojeva (zakon vi?estrukih proporcija). Naprimjer, postoje dvije vrste oksida kalaja : jedan sa 88,1% kalaja i 11,9% kisika a drugi sa 78,7% kalaja i 21,3% kisika ( kalaj(II)-oksid i kalaj-dioksid ). To zna?i da se 100 grama kalaja mo?e spojiti sa 13,5 g ili 27 g kisika. Odnos 13,5 i 27 stoji u proporciji 1:2, tj. proporciji malih cijelih brojeva. Ova op?enita ?ema u hemiji dala je ideju Daltonu da elementi reagiraju vi?estrukim kona?nim jednicama, drugim rije?ima, atomima. U navedenom primjeru oksida kalaja, jedan atom kalaja spaja se bilo sa jednim ili sa dva atoma kisika . ^[5]

Dalton je također vjerovao da atomska teorija mo?e objasniti za?to voda apsorbira razli?ite plinove u razli?itim proporcijama. Naprimjer, on je otkrio da voda apsorbira ugljik-dioksid mnogo bolje nego ?to apsorbira du?ik . ^[6] Dalton je pretpostavio da je razlog tome razlika između masa i konfiguracija ?estica plina, jer su molekule ugljik-dioksida (CO ₂ ) te?e i ve?e od molekula du?ika (N ₂ ).

Godine 1827, botani?ar Robert Brown je pomo?u mikroskopa posmatrao ?estice pra?ine koje su plutale u vodi i otkrio da su one kretale haoti?no i bez reda, a taj fenomen je kasnije nazvan " Brownovo kretanje ". U to vrijeme smatralo se da molekule vode udaraju u ?estice pra?ine i tako ih pomjeraju. Godine 1905. Albert Einstein je dokazao stvarnost ovih molekula i njihovog kretanja prave?i prvu statisti?ku fizikalnu analizu Brownovog kretanja. ^{[7] [8] [9]} Na osnovu Einsteinovog rada, francuski fizi?ar Jean Perrin je eksperimentalno odredio masu i dimenzije atoma, te time nedvosmisleno dokazao Daltonovu atomsku teoriju. ^[10]

Fizi?ar J.J. Thomson je mjerio masu katodnih zraka, te dokazao da su one sastavljene iz ?estica, ali su one bile oko 1800 puta lak?e od najlak?eg poznatog atoma, vodika . Iz toga je zaklju?eno da to nisu bili atomi nego nove ?estice, odnosno prve otkrivene subatomske ?estice koje su najprije nazvane korpuskule , da bi kasnije dobile ime elektroni , prema nazivu kojeg je predlo?io George Johnstone Stoney u svojim radovima iz 1874. godine. Thomson je također dokazao da su to identi?ne ?estice onima koje emitiraju fotoelektri?ni i radioaktivni materijali. ^[11] Vrlo brzo do?lo se do shvatanja da su to ?estice koje "prenose" elektri?nu struju u metalnim provodnicima, te unutar atoma nose negativni elektri?ni naboj. Thomsonu je 1906. godine za svoj rad dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku . Time je on oborio vjerovanje su atomi nedjeljive, gradivne ?estice materije. ^[12] Međutim, Thomson je postavio pogre?nu teoriju da su negativno naelektrisani elektroni, vrlo male mase, ravnomjerno raspoređeni po atomu kao jednoli?ni sloj negativnog naelektrisanja. Ovaj model atoma postao je poznat pod nazivom " model pudinga od ?ljiva ".

Glavni ?lanak: Geiger?Marsdenov eksperiment

Godine 1909. Hans Geiger i Ernest Marsden , prema savjetima Ernesta Rutherforda , izvr?ili su eksperiment bombardiranja metalne folije alfa ?esticama i mjerili kako se one pona?aju pri sudaru s njom. Prema njihovim pretpostavkama, sve alfa ?estice trebale su pro?i ravno kroz foliju uz nimalo ili vrlo malo rasipanje ili odbijanje, jer je Thomsonov model atoma pretpostavljao da su naelektrisanja u atomu toliko ra?trkana da njihova elektri?na polja ne mogu mnogo utjecati na alfa ?estice. Međutim, Geiger i Mardsen su uo?ili da su se neke alfa ?estice odbijale od atoma pod uglovima ve?im od 90°, za ?ta Thomsonov model nije mogao pru?iti nikakvo obja?njenje. Da bi takvu pojavu objasnio, Rutherford je postavio teoriju da su pozitivna naelektrisanja u atomu koncentrirana u malom jezgru u sredi?tu atoma. ^[13]

Dok je eksperimentirao sa proizvodima radioaktivnog raspada 1913. godine, hemi?ar Frederick Soddy otkrio je da se u periodnom sistemu javlja vi?e od jedne vrste atoma na svakom mjestu u PSE. ^[14] Pojam izotop skovala je Margaret Todd kao pogodno ime za razli?ite vrste atoma koji pripadaju istom hemijskom elementu. J.J. Thomson izumio je tehniku separacije izotopa tokom svog rada na prou?avanju ioniziranih plinova, ?to je u kona?nici dovelo do otkri?a stabilnih izotopa. ^[15]

Glavni ?lanak: Bohrov model atoma

Godine 1913. fizi?ar Niels Bohr predlo?io je model atoma u kojem njegovi elektroni orbitiraju oko jezgra, ali po strogo određenom broju orbita, te da mogu prelaziti između orbita samo uz ta?no određenu promjenu energije koja odgovara apsorpciji ili emitiraju fotona. ^[16] Ova kvantizacija se koristila za obja?njavanje za?to su orbite elektrona stabilne (tj. da nema promjena u ubrzanju njihovog kretanja, uklju?uju?i kru?no kretanje i gubitak kineti?ke energije koja se emitira kao elektromagnetno zra?enje) i za?to hemijski elementi apsorbiraju i emitiraju elektromagnetno zra?enje u ta?no određenom spektru. ^[17]

Kasnije iste godine Henry Moseley dao je dodatne eksperimentalne dokaze koji su podr?ali Bohrovu teoriju. Ove rezultate pobolj?ali su Rutherfordov i Van den Broekov model atoma, koji su predviđali da atom u svom jezgru sadr?i određen broj pozitivnih nuklearnih naboja koji su jednaki atomskom broju tog elementa u periodnom sistemu. U vremenu prije tih eksperimenata, za atomski broj se nije smatralo da je fizi?ka ili eksperimentalna koli?ina. ?injenica da nuklearni naboj atoma odgovara atomskom broj, ostala je va?e?a i kod dana?njih teorija modela atoma. ^[18]

Godine 1916. Gilbert Newton Lewis postavio je teoriju o hemijskim vezama između atoma, prema kojoj su one zapravo interakcije između elektrona u tim atomima. ^[19] Po?to su hemijske osobine elemenata ve?inom bile poznate i da su se one prete?no ponavljale u skladu periodi?nih zakona, ^[20] tako je 1919. ameri?ki hemi?ar Irving Langmuir postavio teoriju da bi se taj pojava mogla objasniti ako su elektroni u atomu povezani ili na neki na?in grupisani. Takve grupe elektrona koje "zauzimaju" ta?no određeno podru?je oko jezgra nazvane su elektronske ljuske. ^[21]

Stern?Gerlachov eksperiment iz 1922. dao je daljnje dokaze o kvantnoj prirodi atomskih osobina. Tokom tog eksperimenta, snop atoma srebra usmjeren je kroz posebno oblikovano magnetno polje , te se on razdvojio na na?in koji odgovara smjeru ugaonog momenta atoma odnosno spinu . Kako je smjer spina isprva bio nasumi?an, o?ekivalo se da ?e se snop odbiti u nasumi?nom smjeru. Umjesto toga, snop se razdvojio u dvije usmjerene komponente koje odgovaraju stanju da li je atomski spin usmjeren prema dolje ili gore u odnosu na magnetno polje. ^[22]

Godine 1925. Werner Heisenberg je objavio prvu konzistentnu matemati?ku formulaciju kvantne mehanike ( matri?na kvantna mehanika ). ^[18] Godinu ranije, 1924, Louis de Broglie je postavio teoriju da se sve ?estice pona?aju i kre?u u obliku talasa, pa je tako 1926. Erwin Schrodinger upotrijebio tu ideju za razvoj matemati?kog modela atoma ( talasna mehanika ) kojim je opisao elektrone u obliku trodimenzionalnog talasa umjesto kao do tada u obliku ta?kaste ?estice.

Kao posljedica postojanja talasnog oblika kojim se opisuju ?estice, matemati?ki je nemogu?e dobiti neke ta?ne vrijednosti ni za geometrijsku poziciju ni za moment ?estice u bilo kojem vremenskom trenutku. Taj princip postao je poznat kao princip neodređenosti a formulirao ga je Werner Heisenberg 1927. godine. ^[18] Prema tom konceptu, uz određenu ta?nost pri mjerenju mjesta nekog elektrona mogu?e je dobiti samo raspon mogu?ih vrijednosti momenta i obrnuto. ^[23] Takav model mogao je objasniti mjerenja i posmatranja atomskih osobina ?to prethodni modeli nisu mogli, poput određenih strukturnih i spektralnih osobina atoma te?ih od vodika. Prema tome, planetarni modeli atoma su prevaziđeni modelom koji je opisao mogu?e zone atomskih orbitala oko jezgra gdje postoji najve?a vjerovatno?a da bi se određeni elektron mogao nalaziti u određenom vremenu. ^{[24] [25]}

Otkri?e masene spektrometrije omogu?ilo je mjerenje mase atoma mnogo preciznije nego ?to je to bilo ranije mogu?e. Uređaj je koristio magnet koji je slu?io za skretanje pravca kretanja snopa iona, te se na osnovu koli?ine odbijanja snopa mo?e odrediti odnos u promjeni masa atoma prije i nakon toga. Hemi?ar Francis William Aston koristio je ovaj instrument kako bi pokazao da izotopi imaju razli?ite mase. Atomske mase tih izotopa varirale su i razlikovale međusobno u cijelim iznosima, ?to je nazvano pravilo cijelih brojeva . ^[26] Obja?njenje tih razli?itih izotopa ?ekalo je do otkri?a neutrona , nenabijene ?estice mase sli?noj protonu , ?to je 1932. uspjelo fizi?aru Jamesu Chadwicku . Na taj na?in, otkriveno je da su izotopi hemijski elementi sa istim brojem protona, ali razli?itim brojem neutrona u svom jezgru. ^[27]

Godine 1938, njema?ki hemi?ar Otto Hahn , student Ernesta Rutherforda, vr?io je eksperiment tako ?to je usmjerio snop neutrona u atome uranija , o?ekuju?i da ?e dobiti neki transuranijski element. Umjesto toga, rezultati njegovog eksperimenta pokazali su da je dobio barij . ^{[28] [29]} Godinu kasnije, Lise Meitner i njen sestri? Otto Robert Frisch potvrdili su Hahnove rezultate kao prvu eksperimentalno izvedenu nuklearnu fisiju . ^{[30] [31]} Hahn je 1944. za svoje otkri?e fisije dobio Nobelovu nagradu za hemiju . Međutim, i pored Hahnovog zalaganja, doprinosi Meitner i Frischa ovom otkri?u nisu priznati. ^[32]

Tokom 1950ih, razvoj naprednih uređaja ubrziva?a (akceleratora) ?estica i uređaja za njihovu detekciju omogu?io je nau?nicima izu?avanje procesa sudaranja atoma koji se kre?u s vrlo visokim kineti?kim energijama. ^[33] Za neutrone i protone utvrđeno je da su to zapravo hadroni , odnosno sastavljeni iz jo? manjih ?estica nazvanih kvarkovi . Time je razvijen standardni model fizike ?estica koji je do danas uspje?no predstavio osobine jezgra atoma u smislu da tih subatomskih ?estica kao i sila koje određuju njihova međudjelovanja. ^[34]

Glavni ?lanak: Subatomske ?estice

Iako je pojam atom prvobitno ozna?avao ?esticu koja se ne mo?e razbiti u manje ?estice, u modernom nau?nom ?argonu, smatra se da je atom sastavljen iz vi?e subatomskih ?estica. Gradivne ?estice atoma su elektroni , protoni i neutroni . Sve tri vrste ?estice spadaju u fermione . Međutim, atom vodika (izotop H-1) nema neutrona, dok hidron -ion ( ¹ H ⁺ ) nema elektrona.

Elektroni su ubjedljivo najlak?e među ovim ?esticama, mase ?ablon:FormattingError , sa negativnim elektri?nim nabojem i veli?ine tako male da ga je nemogu?e izmjeriti pomo?u danas dostupnih tehnika. ^[35] On je bio najlak?a ?estica sa pozitivnom masom u mirovanju, sve do otkri?a neutrina i određivanja njegove mase. U uobi?ajenim okolnostima, elektroni su vezani sa pozitivno naelektrisanim jezgrom putem sile privla?enja suprotno naelektrisanog naboja. Ukoliko atom ima jedan vi?e ili manje elektrona od svog atomskog broja, tada postaje negativno ili pozitivno naelektrisan, respektivno, a nabijeni (naelektrisani) atom naziva se ion . Elektroni su otkriveni krajem 19. vijeka, uglavnom zahvaljuju?i radovima J.J. Thomsona .

Protoni imaju pozitivni naboj i masu 1.836 puta ve?u od elektron, oko ?ablon:FormattingError . Broj protona u atomu naziva se atomski broj . Ernest Rutherford (1919) prou?avao je du?ik i bombardirao ga alfa-?esticama, pri ?emu je zapazio da du?ik pri tom emitira ne?to ?to izgleda kao jezgro vodika. Naredne godine, preformulirao je otkri?e tako da je zaklju?io da je jezgro vodika posebna ?estica unutar atoma koju je nazvao proton .

Neutroni nemaju elektri?ni naboj te imaju slobodnu masu 1.839 puta ve?u od mase elektrona ili oko ?ablon:FormattingError . ^{[36] [37]} Neutroni su najte?i od tri osnovne gradivne ?estice atoma, ali se njihova masa mo?e reducirati nuklearnom energijom vezanja. Neutroni i protoni (zajedni?ki nazvani nukleoni) imaju pribli?no iste dimenzije, veli?ine reda ?ablon:FormattingError , mada "povr?ina" ovih ?estica nije jasno definirana. ^[38] Neutrone je 1932. otkrio engleski fizi?ar James Chadwick .

U standardnom modelu fizike, elektroni su prave elementarne ?estice bez unutra?nje strukture. Međutim, i protoni i neutroni su slo?ene ?estice sastavljene iz elementarnih ?estica nazvanih kvarkovi . Postoji dvije vrste kvarkova u atomu, svaki sa djelimi?nim elektri?nim nabojem. Protoni su sastavljeni iz dva gornja kvarka ( up -kvark) (svaki sa nabojem + 2
3 ) i jednog donjeg kvarka (sa nabojem - 1
3 ). Neutroni su sastavljeni iz jednog gornjeg i dva donja kvarka. Ova razlika "odgovorna" je i za razliku u masama i nabojima između ove dvije ?estice. ^{[39] [40]} Kvarkovi se dr?e na okupu djelovanjem jake interakcije (tj. jake sile), koju reguliraju gluoni . Protone i neutrone u jezgru međusobno ve?e djelovanje nuklearnih sila, koja je "ostatak" jakih sila koje donekle imaju razli?ite osobine u pogledu udaljenosti na kojoj djeluju. Gluoni su ?lanovi porodice ba?darnih bozona , koje su elementarne ?estice preko kojih se ispoljavaju fizi?ke sile. ^{[39] [40]}

Glavni ?lanak: Atomsko jezgro

Svi vezani protoni i neutroni u atomu sa?injavaju relativno malo atomsko jezgro , te se kolektivno nazivaju nukleoni . Pre?nik atomskog jezgra pribli?no je jednak 1,07  ³ √ A  femtometara, gdje je A ukupni broj nukleona u njemu. ^[41] To je znatno manje od pre?nika cijelog atoma, koji je reda veli?ine 10 ⁵  fm. Nukleoni se dr?e zajedno vezani privla?nim potencijalom koji djeluje na kratkoj udaljenosti, a naziva se rezidualna jaka nuklearna sila . Na udaljenostima kra?im od 2,5 fm ova sila je znatno sna?nije od elektrostati?ke sile koja uzrokuje da se pozitivno nabijeni protoni odbijaju jedan od drugog. ^[42]

Atomi istog elementa imaju isti broj protona u jezgru, a taj broj odgovara atomskom broju elementa. Za svaki hemijski element, postoje atomi kod kojih broj neutrona varira, a taj broj određuje izotop tog elementa. Ukupan broj protona i neutrona određuje o kojem nuklidu se radi. Broj neutrona u odnosu na broj protona određuje koliko je to jezgro stabilno, jer se određeni izotopi raspadaju nekim od radioaktivnih na?ina raspada. ^[43] Proton, elektron i neutron svrstani su u grupu fermionskih ?estica. Za fermione va?ni Paulijev princip isklju?enja , koji zabranjuje identi?nim fermionima, kao ?to je vi?e od jednog protona, da zauzimaju isto kvantno stanje u isto vrijeme. Stoga, svaki proton u jezgru mora zauzimati kvantno stanje razli?ito od svih drugih protona, a isti princip se primjenjuje i na sve neutrone u jezgru i sve elektrone u elektronskom oblaku. ^[44]

Atomska jezgra koja imaju razli?it broj protona i neutrona imaju potencijal da pređu u ni?e energetsko stanje putem radioaktivnog raspada ?ije posljedice se ogledaju u tome da se broj neutrona pribli?i broju protona. Rezultat tog procesa je da nastaju atomi koji imaju podjednak broj protona i neutrona i koji su mnogo "otporniji" na raspad. Ipak, pove?anjem atomskog broja, međusobno odbijanje protona zahtijeva pove?anje odnosa broja neutrona u odnosu na broj protona kako bi se odr?avala stabilnost jezgra, ?to neznatno mijenja ovaj trend jednakog broja protona i neutrona kod atoma sa ni?im atomskim brojevima. ^[44]

Broj protona i neutrona u atomskom jezgru mo?e se promijeniti, ali je za to potrebna veoma velika energija zbog vrlo sna?nih sila koje djeluju unutar jezgra. Nuklearna fuzija se de?ava kada se ve?i broj lak?ih atomskih ?estica međusobno spoje i izgrade te?e atomsko jezgro, poput energetskih sudara dva atomska jezgra. Naprimjer, u sredi?tu Sunca protonima je potrebno pribli?no 3?10 keV energije da bi svladali sile njihovog međusobnog odbijanja, te spojili se u jednu atomsko jezgru. Ta energetska granica nazvana je Coulombova barijera . ^[45] Nuklearna fisija je proces suprotan fuziji, pri kojoj se atomsko jezgro raspada na dva manja jezgra, obi?no pra?eno radioaktivnim raspadom. Jegra se mogu izmijeniti i bombardiranjem subatomskim ?esticama ili fotonima visoke energije. Ako se u tom procesu promijeni broj protona u jezgru, atom prelazi u drugi hemijski element. ^{[46] [47]} Ako je masa jezgra nastalog nakon reakcije fuzije manja od masa polaznih ?estica koje su u?estvovale u reakciji, tada se razlika između ove dvije vrijednosti mo?e emitirati u vidu neke korisne energije (poput gama zraka) ili kineti?ke energije u vidu beta ?estica, kako je opisano poznatom Einsteinovom formulom ekvivalencije mase i energije, ${\displaystyle E=mc^{2}}$, gdje je ${\displaystyle m}$ razlika u gubitku mase a ${\displaystyle c}$ brzina svjetlosti . Ovaj deficit mase je dio energije vezivanja novonastalog jezgra, i to je nepovratni gubitak energije koji uzrokuje da spojene ?estice ostanu zajedno u stanju koje zahtijeva ovu energije da bi se razdvojile. ^[48]

Fuzija dva jezgra kojom nastaje ve?e i te?e jegro sa atomskim masama manjim od Fe i Ni , gdje je ukupni broj nukleona oko 60, obi?no je egzotermi?ka reakcija , kojom se otpu?ta vi?e enegije nego ?to je potrebno da bi se ona spojila. ^[49] Ovaj proces kojim se otpu?ta energija omogu?ava da se nuklearna fuzija u zvijezdama neprekidno odvija. Kod te?ih jezgara, energija vezivanja po jednom nukleonu u jezgru po?inje opadati. To zna?i da su procesi fuzije, kojima nastaju atomi atomskih brojeva vi?ih od 26 i atomskim masama vi?im od 60, endotermi?ke rekacije. Zbog toga masivnije jezge ne mogu odr?avati reakcije fuzije kojima nastaje "vi?ak" energije niti mogu odr?avati hidrostati?ku ravnote?u zvijezde. ^[44]

Elektrone u atomu privla?e protoni iz njegovog jezgra elektromagnetnim silama . Ove sile ve?u elektrone unutar elektrostati?ke jame potencijala okru?uju?i malo atomsko jezgro, ?to zna?i da je elektronu za "bijeg" iz atoma potreban vanjski izvor energije. ?to god je elektron bli?i jezgru, ve?a je njegova privla?na sila. Prema tome, elektroni vezani bli?e centru jame potencijala zahtijevaju vi?e energije kako bi bili izbijeni iz atoma, od onih elektrona koji se nalaze dalje od jezgra.

Kao i druge ?estice, elektroni imaju i ?esti?ne i talasne osobine. Elektronski oblak je podru?je unutar jame potencijala gdje svaki elektron gradi neku vrstu trodimenzionalnog stacionarnog talasa, tj. oblika talasa koji se ne kre?e u odnosu na jezgro. Ovo pona?anje definira atomsku orbitalu u obliku matemati?ke funkcije koju karakterizira vjerovatno?a da ?e se elektron nalaziti na određenom polo?aju u trenutku kada se njegov polo?aj mjeri. ^[50] Postoji samo diskretno kvantizirani set takvih orbitala oko atomskog jezgra, jer se druge mogu?e talasne pozicije vrlo brzo raspadnu na neku od stabilnijih formi. ^[51] Orbitale mogu imati jednu ili vi?e prstenastih ili ta?kastih struktura te se jedna od druge razlikuju u veli?ini, obliku i usmjerenju (orjentaciji). ^[52]

Svaka atomska orbitala odgovara određenom nivou energije elektrona. Elektroni mogu promijeniti svoje stanje na vi?i energetski nivo putem apsorpcije fotona koji nosi dovoljnu koli?inu energije kojom je mogu?e pobuditi elektron do novog vi?eg kvantnog stanja. Na sli?an na?in, putem spontane emisije, elektron na vi?em energetskom nivou mo?e pre?i na ni?i energetski nivo istovremeno emitiraju?i vi?ak energije u vidu fotona. Takve karakteristi?ne vrijednosti energije, definirane kao razlike između energija određenih kvantnih stanja, odgovorne su za pojavu atomskih spektralnih linija . ^[51] Iznos energije potrebne da se doda ili ukloni elektron, tj. energije vezivanja elektrona, daleko je manji od energije vezivanja nukleona. Naprimjer, potrebno je "samo" 13,6 eV da se ukloni elektron u osnovnom stanju iz atoma vodika , ^[53] u odnosu na 2,23  miliona eV potrebnih da bi se razbilo jezgro deuterija . ^[54] Atomi su u elektri?no neutralnom stanju ako imaju isti broj protona i neutrona. Atomi koji imaju vi?ak ili manjak elektrona nazivaju se ioni . Elektroni koji se nalaze najdalje od jezgra mogu pre?i na druge susjedne atome ili ih dva atoma mogu dijeliti kao zajedni?ke. Tim mehanizmom, atomi mogu graditi hemijske veze te se međusobno vezati u molekule i druge vrste hemijskih spojeva poput ionskog i kovalentnog sistema kristala . ^[55]

Glavni ?lanak: Izotop

Po definiciji, bilo koja dva atoma sa identi?nim brojem protona u njihovim jezgrima, pripadaju istom hemijskom elementu . Atomi sa istim brojem protona, ali razli?itim brojem neutrona predstavljaju razli?ite izotope istog elementa. Naprimjer, svi atomi vodika imaju po jedan proton u jezgru, ali postoji razni izotopi među kojim je izotop bez neutrona u jezgru (vodik-1, kojeg ima ubjedljivo najvi?e, ^[56] zvani protij), sa jednim ( deuterij ), dva ( tricij ) ili vi?e neutrona. Svi poznati elementi ?ine set atomskih brojeva, po?ev od elementa sa jednim ( vodik ) do elementa sa 118 protona ( oganeson ). ^[57] Svi poznati izotopi elemenata koji imaju atomske brojeve ve?e od 82 su radioaktivni , mada je radioaktivnost elementa 83 ( bizmut ) tako slaba da se prakti?no mo?e smatrati da je nema. ^{[58] [59]}

Na Zemlji je otkriveno pribli?no 339 nuklida, ^[60] a kod 254 od njih (oko 75%) nije opa?en raspad, te se oni definiraju kao "stabilni izotopi". Ipak, samo 90 tih nuklida su stabilni u odnosu na sve vrste radioaktivnog raspada, ?ak i u teoriji. Za ostalih 164 (?to ?ini ukupno 254 nuklida) nisu opa?eni raspadi, mada je prema njihovoj strukturi u teoriji mogu? njihov raspad. Ovi nuklidi se formalno smatraju "stabilnim". Dodatna 34 radioaktivna nuklida imaju vremena poluraspada du?a od 80 miliona godina, te su dovoljno dugo?ivu?i da bi se na Zemlji mogli nalaziti jo? iz perioda nastanka Sun?evog sistema. Ova "kolekcija" od 288 nuklida poznati su i kao primordijalni nuklidi . Najzad, poznat je jo? i 51 kratko?ivu?i nuklid za koje se zna da se prirodno javljaju na Zemlji, kao proizvodi raspada primordijalnih nuklida (poput radija iz uranija ) ili neki drugi na?in u vidu proizvoda prirodnih energetskih procesa na Zemlji, naprimjer bombardiranjem kosmi?kih zraka (poput nastanka ugljika-14). ^{[61] [note 1]}

Od svih hemijskih elemenata, njih 80 ima barem jedan stabilni izotop. Mnogi hemijski elementi imaju nekoliko stabilnih izotopa, prosje?no postoji 3,2 stabilna izotopa po svakom hemijskom elementu. Dvadeset ?est elemenata ima samo jedan stabilni izotop, dok najve?i broj stabilnih izotopa od svih elemenata ima kalaj sa deset stabilnih izotopa. Elementi 43 , 61 , i svi elementi sa atomskim brojevima 83 i ve?im nemaju niti jedan stabilan izotop. ^[62]

Na stabilnost izotopa primarno uti?e odnos broja protona i neutrona, ali također i prisustvo određenih "magi?nih brojeva" neutrona i protona koji predstavljaju zatvorene i u potpunosti popunjene kvantne ljuske. Te kvantne ljuske odgovaraju i ta?no definisanim setovima nivoa energije unutar modela ljusaka jezgra; popunjene ljuske, kao ?to je naprimjer popunjena ljuska sa 50 protona kod kalaja, daje neuobi?ajenu stabilnost tom nuklidu. Od 254 poznata stabilna nuklida, samo njih ?etiri imaju i neparan broj protona i neparan broj neutrona: izotop vodika-2 ( deuterij ), litij -6, bor-10 i du?ik -14. Osim toga, samo ?etiri nuklida koji se javljaju u prirodi, a koji su radioaktivni, imaju neparne brojeve protona i neutrona u jezgru: kalij -40, vanadij -50, lantan -138 i tantal -180m. Ovi nuklidi imaju vrijeme poluraspada du?e od milijardu godina. Ve?ina jezgara sa neparnim brojem i protona i neutrona su veoma nestabilna u odnosu na beta raspad, jer proizvodi raspada imaju parne brojeve i protona i neutrona, pa su stoga mnogo sna?nije vezani zbog nuklearnih efekata sparivanja. ^[62]

Glavni ?lanci: Atomska masa i Maseni broj

Velika ve?ina mase atoma sadr?ana je u protonima i neutronima u njegovom jezgru. Ukupan broj ovih ?estica (nazvanih "nukleoni") u nekom atomu naziva se maseni broj . To je pozitivan, cijeli broj, bez jedinice mjere (iako ima masenu dimenziju) jer ozna?ava broj ?estica. Primjer kori?tenja masenog broja je ugljik -12, ?to zna?i da u jezgru ovog izotopa ima 12 nukleona (?est protona i ?est neutrona).

Stvarna masa atoma u mirovanju ?esto se izra?ava pomo?u unificirane jedinice atomske mase ( u ), također zvane i dalton (Da). Ova jedinica definirana je kao dvanaestina mase slobodnog neutralnog atoma izotopa ugljika-12, a pribli?no izra?eno u kilogramima ona iznosi ?ablon:FormattingError . ^[63] Vodik-1 ( protij ) (najlak?i izotop vodika, a također i nuklid sa najni?om masom) ima atomsku te?inu 1,007825  u . ^[64] Vrijednost ovog broja naziva se atomska masa . Određeni atom ima atomsku masu koja je pribli?no jednaka (uz razliku do 1%) njegovom masenom broju pomno?enom sa jedinicom atomske mase (naprimjer masa atoma du?ika-14 je pribli?no 14  u ). Međutim, ovaj broj ne?e uvijek biti cijeli broj osim kod ugljika-12. ^[65] Najte?i stabilni atom, olovo -208, ^[58] ima masu ?ablon:FormattingError . ^[66]

Po?to su i najte?i atomi isuvi?e lahki da bi se s njima moglo direktno raditi i mjeriti, hemi?ari dogovorno upotrebljavaju jedinicu mol . Jedan atoma (ili bilo kojih drugih ?estica) bilo kojeg elementa uvijek ima isti broj atoma (?estica), oko ?ablon:FormattingError . Taj broj naziva se Avogadrova konstanta . On je odabran tako da ako element ima atomsku masu 1  u , jedan mol tog elementa imat ?e masu pribli?no jedan gram. Zbog definicije unificirane jedinice atomske mase, svaki atom ugljika-12 ima atomsku masu ta?no 12  u , pa jedan mol atoma ugljika-12 ima masu ta?no 0,012 kg. ^[63]

Glavni ?lanak: Atomski radijus

Atomima nedostaje strogo definirana vanjska granica, pa se njihove dimenzije obi?no opisivaju pojmom atomskog radijusa . On mjeri razdaljinu koliko se elektronski oblak udaljava od jezgra. ^[67] Međutim, time se eksplicitno pretpostavlja da atom ima loptast oblik, ?to je mogu?e ako se atomi posmatraju u vakuumu ili slobodnom prostoru. Atomski radijusi se mogu izra?unati iz udaljenosti između dva jezgra u slu?aju kada se dva atoma spoje pomo?u neke od hemijskih veza . Radijusi su dosta varijabilni u zavisnosti od polo?aja atoma u periodnom sistemu, vrste hemijske veze koju grade sa drugim atomima, broja susjednih atoma ( koordinacijski broj ) i kvantno-mehani?kih osobina poput spina. ^[68] Na periodnom sistemu elemenata , atomi te?e pove?anju atomskog radijusa idu?i kroz periode prema dolje, te smanjivanju idu?i s lijeva na desno kroz grupe hemijskih elemenata. ^[69] Kao posljedica toga, najmanji atom po atomskim radijusima jeste helij sa radijusom od 32 pikometra, dok je jedan od najve?ih cezij sa 225 pikometara. ^[70]

Kada na njega djeluju vanjske sile poput elektri?nog polja, oblika atoma mo?e zna?ajno odstupiti od loptaste simetrije. Deformacija zavisi od snage elektri?nog polja i vrste orbite krajnje vanjske elektronske ljuske, kako to predviđaju teorije grupa . Asferi?ne (neloptaste) devijacije mogu biti izazvane naprimjer u kristalima , gdje se velika kristalno-elektri?na polja mogu javiti na mjestima re?etke s niskom simetrijom . ^{[71] [72]} Zna?ajne elipsoidne deformacije mogu se javiti kod iona sumpora ^[73] i halkogenih iona ^[74] u spojevima sli?nih piritu . Veli?ina atoma je reda veli?ine oko hiljadu puta manja talasne du?ine vidljive svjetlosti (400?700  nm ) tako da se oni ne mogu vidjeti pod opti?kim mikroskopom . Međutim, pomo?u skeniraju?eg tunelskog mikroskopa mogu?e je vidjeti pojedina?ne atome. Da bi se lak?e predstavila veli?ina atoma, smatra se da je debljina obi?ne ljudske dlake u pre?niku reda oko milion atoma ugljika. ^[75] Jedna kap vode sadr?i pribli?no 2 x 10 21
atoma kisika i dvostruko ve?i broj atoma vodika. ^[76] Dijamant od jednog karata, mase ?ablon:FormattingError , sadr?i oko 10 ²² atoma ugljika. ^{[note 2]} Kada bi se jabuka pove?ala do veli?ine planete Zemlje, tada bi atomi te jabuke bili pribli?no veli?ine prvobitne jabuke. ^[77]

Glavni ?lanak: Radioaktivnost

Svaki element ima jedan ili vi?e izotopa koji imaju nestabilno jezgro i koje se raspada nekim od radioaktivnih na?ina raspada, pri ?emu jezgro emitira ?estice ili elektromagnetsku radijaciju. Radioaktivnost se mo?e javiti kada je radijus atomskog jezgra dosta ve?i u odnosu na radijus jake sile, koja mo?e djelovati samo na udaljenostima reda veli?ine 1 fm. ^[78]

Neki od naj?e??ih na?ina radioaktivnog raspada su: ^{[79] [80]}

• Alfa raspad : ovaj proces de?ava se kada jezgro emitira alfa-?esticu, koja je zapravo jezgro atoma helija sa dva protona i dva neutrona. Rezultat ove emisije je novi element sa ni?im atomskim brojem .
• Beta raspad (i elektronski zahvat ): ove procese regulira slaba sila a njihov rezultat je transformacija jednog neutrona u proton ili obrnuto. Prijelaz iz neutrona u proton de?ava se istovremeno sa emisijom elektrona i antineutrina , dok prijelaz iz protona u neutron (osim kod elektronskog zahvata) uzrokuje emisiju pozitrona i neutrina . Emisije elektrona ili pozitrona nazivaju se beta ?estice. Pri beta raspadu de?ava se ili pove?anje ili smanjenje atomskog broja jezgra za jedan. Elektronski zahvat je mnogo ?e??i od emisije pozitrona jer je za njega potrebno mnogo manje energije. Kod ove vrste raspada, jezgro apsorbira jedan elektron umjesto da se iz njega emitira pozitron. U tom procesu se i dalje emitira neutrino a proton prelazi u neutron.
• Gama raspad : u ovom procesu dolazi do promjene energetskih nivoa jezgra u ni?e stanje, ?to dovodi do emisije elektromagnetskog zra?enja. Pobuđeno stanje jezgra rezultira gama zra?enjem nakon ?ega dolazi do emisije alfa ili beta ?estice. Prema tome, nakon gama raspada naj?e??e slijedi alfa ili beta raspad.

Postoje i neki rijetki tipovi radioaktivnog raspada koji, između ostalog, uklju?uju izbacivanje neutrona ili protona ili grupe nukleona iz jezgra, ili vi?e od jedne beta ?estice. Analogno gama zra?enju koje omogu?ava pobuđenom jezgru da izgubi energiju na jedan od na?ina, postoji i proces interne konverzije kojim nastaju izuzetno brzi elektroni a koji ne spadaju u beta zrake, dok istovremeno nastaju visokoenergetski fotoni koji nisu gama zraci. Također, mogu?e je da nekoliko velikih atomskih jezgara eksplodira daju?i dva ili vi?e nabijenih fragmenata raznih masa te nekoliko neutrona u procesu koji se naziva spontana nuklearna fisija .

Svaki radioaktivni izotop ima karakteristi?no vrijeme raspada koje se naziva vrijeme poluraspada . Ono je definirano kao vremenski period potreban da se raspadne polovina uzorka tog izotopa. To je proces eksponencijalnog raspada kojim se stalno smanjuje preostali udio nekog izotopa za 50% za svaki period vremena poluraspada. Prema tome, nakon dva perioda vremena poluraspada preostaje samo 25% prvobitne koli?ine izotopa i tako dalje. ^[78]

Elementarne ?estice imaju vlastitu kvantno-mehani?ku osobinu poznatu kao spin . On je analogan ugaonom momentu nekog predmeta koji se okre?e oko svog centra mase, mada ako se uzme prema definiciji, ove ?estice se smatraju ta?kama i pa se ne mo?e re?i da rotiraju. Spin se mjeri u jedinicama reducirane Planckove konstante (ħ), pri ?emu elektroni, protoni i neutroni imaju spin ½ ħ, ili "spin-½". U atomu, elektroni koji se kre?u oko jezgra, pored spina, imaju i orbitalni ugaoni moment, dok samo jezgro ima vlastiti ugaoni moment zbog svog nuklearnog spina. ^[81]

Atom proizvodi magnetno polje , odnosno magnetni moment, koji se određuje prema tim raznim oblicima ugaonog momenta, sli?no kao svaki rotiraju?i naelektrisani objekat koji proizvodi magnetno polje. Ipak, najzna?ajniji doprinos nastanku ovog polja dolazi od spina elektrona. Zbog prirode elektrona da se pona?aju prema Paulijevom principu isklju?enja , prema kojem se dva elektrona ne mogu nalaziti u istom kvantnom stanju, vezani elektroni se uparuju međusobno, pri ?emu jedan ?lan svakog elektronskog para ima stanje spina up dok drugi ?lan ima suprotno stanje spina, down . Prema tome, ova dva stanja spina se međusobno poni?tavaju, smanjuju?i ukupni magnetni dipol moment na nulu kod nekih atoma koji imaju paran broj elektrona. ^[82]

Kod feromagnetnih elemenata poput ?eljeza , kobalta i nikla , neparan broj elektrona dovodi do postojanja nesparenog elektrona i pojavu određenog ukupnog magnetnog momenta. Orbitale susjednih atoma se preklapaju te se dosti?e stanje ni?e energije kada se spinovi nesparenih elektrona spontano "poravnaju" jedan s drugim, ?to se naziva interakcija izmjene. Kada se poravnaju magnetni momenti feromagnetnih atoma, tada predmet ili materijal mo?e proizvesti mjerljivo makroskopsko magnetno polje. Paramagnetni materijali imaju atome sa magnetnim momentima koji se poravnavaju u nasumi?nim pravcima kada nije prisutno magnetno polje, ali se u prisustvu takvog polja poravnaju (usmjere u istom pravcu). ^{[82] [83]}

Jezgro atoma ne?e imati nikakav spin kada u sebi sadr?i paran broj i neutrona i protona, međutim u slu?ajevima kada su neparni brojevi nukleona, onda i jezgro mo?e imati spin. Obi?no su jezgra sa spinom poravnati u nasumi?nim pravcima zbog termalne ravnote?e. Međutim, kod određenih elemenata (poput ksenona -129) mogu?e je da se polariziraju zna?ajni udjeli stanja nuklearnog spina tako da su onda jezgra poravnata u istom pravu. Takvo stanje u fizici naziva se hiperpolarizacija . Ona ima vrlo va?ne oblasti primjene naprimjer pri snimanju magnetnom rezonancom . ^{[84] [85]}

Potencijalna energija elektrona u atomu je negativna , a zavisnost njegove pozicije dose?e minimum (najvi?u apsolutnu vrijednost ) unutar jezgra, te potpuno nestaje kada udaljenost od jezgra dosegne beskona?nost, ugrubo ra?unaju?i obrnutno proporcionalno udaljenosti. Prema kvantno-mehani?kom modelu, vezani elektron mo?e zauzeti samo jedan set kvantnih stanja sa centrom u jezgru, a svako stanje odgovara određenom energetskom nivou. Teoretsko razmatranje tog modela obrađuje vremenski nezavisna Schrodingerova jedna?ina . Energetski nivo mo?e biti izmjeren pomo?u koli?ine energije potrebne da se elektron izdvoji iz atoma, te se naj?e??e izra?ava elektronvoltima (eV). Najni?e stanje energije vezanog elektrona naziva se osnovno stanje, odnosno stacionarno stanje, dok se tranzicija elektrona na neke vi?e nivoe ozna?ava kao pobuđeno stanje. ^[86] Energija elektrona pove?ava se pri pove?anju n (osnovnog kvantnog broja) jer se pove?ava (prosje?na) udaljenost od jezgra. Zavisnost energije od ℓ nije uzrokovana elektrostati?kim potencijalom jezgra ve? interakcijom između elektrona.

Elektron koji prelazi između dva razli?ita stanja, naprimjer između osnovnog i prvog pobuđenog, on mora apsorbirati ili emitirati foton energije koja odgovara razlici između potencijalnih energija ta dva nivoa, u skladu sa Bohrovim modelom, ?to se vrlo precizno mo?e izra?unati Schrodingerovom jedna?inom . Elektroni "ska?u" između orbitala na na?in kako bi to ?inili da su ?estice. Naprimjer, ako jedan foton udari u vi?e elektrona, samo jedan elektron promijeni svoje stanje kao odgovor na udar fotona. Energija emitiranog fotona proporcionalna je njegovoj frekvenciji pa se određeni specifi?ni energetski nivoi javljaju u vidu određenih talasnih du?ina elektromagnetskog spektra. ^[87] Svaki hemijski element ima karakteristi?an spektar koji zavisi od njegovog nuklearnog naboja, podljusaka napunjenih elektronima i elektromagnetnih međudjelovanja između elektrona te drugih faktora. ^[88]

Kada kontinuirani elektromagnetni spektar energije prođe kroz plin ili plazmu , neke fotone apsorbiraju pojedini atomi uzrokuju?i da elektroni promijene svoje energetske nivoe. Tako pobuđeni elektroni koji ostanu vezani na svojim atomima spontano emitiraju primljenu energiju u vidu fotona u nasumi?nom pravcu te se nakon toga vra?aju na ni?e energetske nivoe. Na taj na?in atomi se pona?aju kao filteri koji formiraju seriju tamnih apsorpcijskih vrpci u izlaznom snopu energije. Posmatra? koji posmatra atome tamo gdje nema kontinuiranog spektra u pozadini, umjesto apsorpcijskih vrpci vidi serije emisijskih linija od emitiranih fotona iz atoma. Spektroskopska mjerenja snage i ?irine atomskih spektralnih linija omogu?ava određivanje sadr?aja i fizi?kih osobina ispitivane supstance. ^[89]

Detaljnijim istra?ivanjem spektralnih linija otkrivena je pojava izdvajanja finih spektralnih struktura. To se de?ava zbog kuplovanja spina i orbitale, ?to predstavlja međudjelovanje između spina i kretanja najudaljenijih vanjskih elektrona. ^[90] Kada se atom nalazi u vanjskom magnetnom polju, spektralne linije se ras?lanjuju u tri ili vi?e komponenti. Takav fenomen nazvan je Zeemanov efekt . On se de?ava zbog međudjelovanja magnetnog polja i magnetnog momenta atoma i njegovih elektrona. Neki atomi mogu imati vi?e elektronskih konfiguracija sa istim nivoom energije, pa oni izgledaju kao jedinstvena spektralna linija. Interakcija magnetnog polja sa atomom neznatno pomijera ove elektronske konfiguracije do druga?ijih energetskih nivoa, ?to dovodi do pojave vi?estrukih spektralnih linija. ^[91] Prisustvo vanjskog elektri?nog polja mo?e također uzrokovati sli?na razdvajanja i pomijeranja spektralnih linija tako ?to se mijenjaju energetski nivoi elektrona, a taj fenomen naziva se Starkov efekt . ^[92]

Ako se vezani elektron nalazi u pobuđenom stanju, foton koji djeluje na njega određenom energijom mo?e prouzrokovati stimuliranu emisiju fotona istog energetskog nivoa. Da bi se to desilo, elektron prvo mora pre?i na ni?i energetski nivo koji ima razliku u energijama koja odgovara energiji fotona koji djeluje na elektron. Emitirani foton i foton koji je međudjelovao sa elektronom odlaze u paralelnim pravcima i u istim su faznim stanjima. Drugim rije?ima, talasni obrazac dva fotona je sinhroniziran. Ova fizi?ka osobina iskori?tena je u raznim vrstama lasera , koji emitiraju koherentni snop svjetlosne energije u uskom frekvencijskom opsegu. ^[93]

Glavni ?lanci: Valencija (hemija) i Hemijska veza

Valencija je potencijalna snaga spajanja nekog elementa. Ona je jednaka broju atoma vodika s kojima se neki atom mo?e spojiti ili istisnuti grade?i neki hemijski spoj . Krajnja vanjska elektronska ljuska nekog atoma u svom slobodnom, nespojenom stanju se naziva valentna ljuska, dok se elektroni u toj ljusci nazivaju valentni elektroni. Broj valentnih elektrona određuje i hemijsko vezivanje atoma s drugim atomima. Oni te?e da reagiraju jedni sa drugim na na?in da popune (ili isprazne) svoje vanjske valentne ljuske. ^[94] Naprimjer, prijelaz jednog elektrona između atoma korisna je aproksimacija za veze koje nastaju između atoma sa jednim elektronom vi?ka od potpuno popunjene orbitale, dok drugom nedostaje jedan elektron za popunu orbitale, ?to je proces koji se de?ava u spoju natrij-hlorid i drugim ionskim solima. Međutim, kod mnogih elemenata javljaju se dva ili vi?e valentnih stanja odnosno tendencija da dijele razli?it broj elektrona u razli?itim spojevima. Prema tome, hemijsko vezivanje između tih elemenata javlja se u raznim oblicima dijeljenja elektrona ?to je sasvim druga?iji oblik vezanja od jednostavnog prijelaza elektrona. Takvi primjeri su kod ugljika i organskih spojeva . ^[95]

U periodnom sistemu , hemijski elementi ?esto se prikazuju tako da su grupisani prema ponavljaju?im hemijskim osobinama, pa tako elementi sa istim valentnim brojem elektrona grade grupe elemenata koji su svrstani u istu kolonu tabele PSE. Horizontalne kolone odgovaraju redoslijedu popunjavanja kvantnih ljusaka elektronima. Elementi koji su svrstani u krajnju desnu kolonu tabele imaju svoju krajnju vanjsku ljusku u potpunosti popunjenu elektronima, ?to za posljedicu ima da su oni hemijski inertni elementi, poznati i kao plemeniti plinovi . ^{[96] [97]}

Glavni ?lanak: Agregatno stanje

Koli?ine atoma koje se mogu na?i u razli?itim agregatnim stanjima materije zavise od fizi?kih uslova kao ?to su temperatura i pritisak . Mijenjanjem ovih uslova, materijali mogu prelaziti između raznih agregatnih stanja: ?vrstog , te?nog , plinovitog i plazme. ^[98] U određenom agregatnom stanju, neka supstanca mo?e također postojati u razli?itim alotropnim oblicima . Primjer alotropa je ?vrsti ugljik, koji se u prirodi javlja kao grafit ili dijamant . ^[99] Također postoje i plinoviti alotropi kao ?to je to slu?aj kod molekulskog kisika i ozona . Na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli , atomi mogu formirati i Bose-Einsteinov kondenzat , u kojem efekti kvantne mehanike mogu biti posmatrani i na makroskopskoj skali. ^{[100] [101]} Ova super ohlađena kolekcija atoma pona?a se kao jedan ogromni atom, na kojem se mogu vr?iti fundamentalni eksperimenti o kvantno-mehani?kom pona?anju atoma. ^[102]

Skeniraju?i tunelski mikroskop je uređaj pomo?u kojeg je mogu?e posmatrati povr?inu uzroka na atomskom nivou. On iskori?tava fenomen kvantnog tuneliranja , koji omogu?ava da ?estice prođu kroz barijeru, kroz koju ina?e ne bi mogle pro?i. Elektroni ulaze u "tunel" kroz vakuum između dvije planarne metalne elektrode, a na svakoj od njih je adsorbiran atom, daju?i gusto?u tunelske struje dovoljnu da se mo?e izmjeriti. Skeniranje jednog atoma dok se kre?e pored drugih omogu?ava iscrtavanje vrha odmaka u odnosu uporednu separaciju uz neku konstantnu struju. Izra?uni pokazuju u kojoj mjeri se na slikama na?injenim skeniraju?im tunelskim mikroskopom mogu vidjeti pojedina?ni atomi. S tim se uz vrlo mali postotak gre?ke potvrđuje da mikroskopske slike prikazuju prostorno prosje?ne dimenzije elektronskih orbitala du? gusto zbijenih energetskih nivoa, tj. Fermijev nivo lokalnih gusto?a stanja. ^{[103] [104]}

Atom se mo?e ionizirati uklanjanjem jednog ili vi?e elektrona iz njega. Elektri?ni naboj uzrokuje da se putanja atoma iskrivljuje kada on putuje kroz magnetno polje . Radijus u kojem se putanja iona koji se kre?e iskrivljuje u magnetnom polju zavisi od mase atoma. Maseni spektrometar radi na ovom principu ?ime se mjeri odnos mase i naboja iona. Ako uzorak sadr?i vi?e izotopa, masenim spektrometrom se mo?e odrediti proporcija svakog izotopa u uzorku, mjerenjem intenziteta razli?itih snopova iona. Tehnike isparavanja atoma uklju?uju, između ostalih, induktivno spregnutu plazmu atomsku emisionu spektroskopiju i induktivno spregnutu plazmu masenu spektroskopiju. Obje tehnike koriste plazmu da bi uzroke pretvorili u plin za analizu. ^[105]

Metoda kojom se mo?e preciznije odabrati određeno podru?je je spektroskopija gubitka energije elektrona , kojom se mjeri gubitak energije snopa elektrona unutar transmisijskog elektronskog mikroskopa kada oni međudjeluju sa dijelom ispitivanog uzorka. Tomografija atomskom sondom ima rezoluciju manju od nanometra u trodimenzionalnom okru?enju te se pomo?u nje pojedini atomi mogu hemijski identificirati masenom spektrometrijom koriste?i se TOF analizatorom. ^[106]

Spektar pobuđenih stanja se mo?e koristiti za analizu atomskog sastava udaljenih zvijezda . Određene talasne du?ine svjetlosti sadr?ane u posmatranoj svjetlosti koja dolazi sa neke zvijezde mogu se razdvojiti i po njima odrediti kvanizirani prijelazi u slobodnim atomima plina. Te boje se mogu replicirati koriste?i sijalicu sa metalnim parama koja sadr?i ispitivani element. ^[107] Na ovaj na?in otkriven je plin helij u spektru Sun?eve svjetlosti, 23 godine prije nego ?to je isti plin otkriven na Zemlji. ^[108]

Barionska materija sa?injava oko 4% sveukupne gusto?e energije u vidljivom svemiru , pri ?emu prosje?na gusto?a iznosi oko 0,25 ?estica/m ³ (uglavnom u obliku protona i elektrona ). ^[109] Unutar galaksija , kao ?to je na? Mlije?ni put , ?estice se ponegdje nalaze u mnogo ve?im koncentracijama, gdje se gusto?a materije u međuzvjezdanom prostoru kre?e od 10 ⁵ do 10 ⁹ atoms/m ³ . ^[110] Smatra se da se Sunce nalazi unutar Lokalne grupe zvijezda, tako da je gusto?a materije u Sun?evom kom?iluku pribli?no 10 ³ atoma/m ³ . ^[111] Zvijezde se formiraju od gustih oblaka u međuzvjezdanom prostoru, a evolucijski procesi zvijezda rezultirali su konstantnim oboga?ivanjem međuzvjezdanog prostora elementima te?im od vodika i helija.

Oko 95% barionske materije Mlije?nog puta koncentrirana je unutar zvijezda gdje vladaju uslovi koji ne pogoduju atomskoj materiji. Ukupna barionska masa zauzima oko 10% mase galaksije; ^[112] dok ostatak otpada na pretpostavljenu tamnu materiju . ^[113] Ekstremno visoke temperature koje vladaju unutar zvijezda mijenjaju atome tako da postaju u potpunosti ionizirani, to jest svi elektroni se odvajaju od jezgra. U kompaktnim zvijezdama , uz izuzetak njihovih povr?inskih slojeva, izuzetan pritisak ?ini nemogu?im postojanje elektronskih orbitala.

Smatra da su elektroni u Svemiru postojali jo? od prvih trenutaka nakon Velikog praska . Atomska jezgra formirala su se tokom nukleosintetskih reakcija. Tokom tri minute nukleosinteze nakon Velikog praska nastala je ve?ina atoma helija , litija i deuterija u Svemiru, a mo?da i ne?to atoma berilija i bora . ^{[114] [115] [116]}

Sveprisutnost i stabilnost atoma po?iva na njihovoj energiji vezivanja, ?to zna?i da atom ima ni?u energiju nego sistem nepovezanih atomskih jezgara i elektrona. Na mjestima gdje je temperatura znatno vi?a od ionizacijskog potencijala, materija postoji u obliku plazme , plina sastavljenog iz pozitivno nabijenih iona (mogu?e i ogoljenih jezgara) i elektrona. Kada temperatura spadne ispod ionizacijskog potencijala, atomi postaju statisti?ki povoljni. Atomi (cijeli sa vezanim elektronima) postali su dominantni u odnosu na nabijene ?estice tek 380 hiljada godina nakon Velikog praska. Ta epoha nazvana je rekombinacija, kada se Svemir pri ?irenju ohladio u dovoljnoj mjeri da su se elektroni po?eli vezivati za atomska jezgra. ^[117]

Po?ev od Velikog praska, tokom kojeg nisu nastali atomi ugljika niti elementi te?i od njega, jezgra atoma su se spajala unutar zvijezda procesom nuklearne fuzije ?ime su nastajale nove koli?ine elementa helija , te (trostrukim alfa procesom) atomi elemenata po?ev od ugljika do ?eljeza . ^[118] Taj proces naziva se zvjezdana nukleosinteza. Izotopi kao ?to je litij -6, kao i određena koli?ina berilija i bora, nastali su svemiru putem procesa spalacije kosmi?kim zrakama. ^[119] Ona se javlja kada visokoenergetski protoni udare u atomska jezgra izbijaju?i ve?i broj nukleona iz njega.

Elementi te?i od ?eljeza nastali su r-procesom tokom supernove kao i s-procesom u zvijezdama asimptotskog divovskog ogranka . Oba ova procesa uklju?uju zahvatanje neutrona unutar atomskog jezgra. ^[120] Elementi kao ?to je olovo uglavnom nastaju radioaktivnim raspadom te?ih elemenata. ^[121]

Ve?ina atoma, koji sa?injavaju planetu Zemlju i njene stanovnike, bila je prisutna u dana?njem obliku u maglini koja se uru?ila iz molekularnog oblaka i iz koje je nastao dana?nji Sun?ev sistem . Mali dio atoma na Zemlji rezultat je procesa radioaktivnog raspada te se relativni odnos tih atoma mo?e koristiti za određivanje starosti Zemlje putem radiometrijskog datiranja. ^{[122] [123]} Ve?ina helija u Zemljinoj kori (oko 99% helija iz plinovitih izvora, ?to pokazuje i mala rasprostranjenost izotopa helija-3) proizvod je alfa raspada. ^[124] Postoji vrlo malo atoma u tragovima na Zemlji koji nisu bili prisutni u vrijeme njenog nastanka (tj. nisu primordijalni atomi), a nisu ni rezultat radioaktivnog raspada. Izotop ugljika-14 stalno nastaje u atmosferi djelovanjem kosmi?kih zraka. ^[125] Neki atomi na Zemlji napravljeni su vje?ta?ki bilo kao rezultat rada nau?nika ili kao nusproizvod u nuklearnim reaktorima ili pri nuklearnim eksplozijama. ^{[126] [127]} Od svih tranuranijskih elemenata, odnosno elemenata sa atomskim brojevima ve?im od 92, samo se plutonij i neptunij mogu prona?i na Zemlji u prirodnom stanju. ^{[128] [129]} Transuranijski elementi imaju radioaktivni "?ivotni vijek" znatno kra?i od starosti Zemlje ^[130] pa su se njihove mjerljive koli?ine ve? odavno raspale na lak?e elemente. Jedan od rijetkih izuzetaka je izotop plutonija -244, ?ije tragove je mogu?e detektirati u si?u?nim uzorcima kosmi?ke pra?ine. ^[123] Prirodni depoziti plutonija i neptunija nastaju zahvatom neutrona u rudama uranija . ^[131]

Prema određenim procjenama, na Zemlji se nalazi ?ablon:FormattingError atoma. ^[132] Iako postoji vrlo mali broj atoma koji nisu vezani u molekulu, kao ?to su atomi plemenitih plinova: argon , neon i helij , 99% atoma u Zemljinoj atmosferi vezano je u obliku molekula poput ugljik-dioksida ili dvoatomskih molekula kisika i du?ika . Na povr?ini Zemlje, ogromna ve?ina atoma spojena je u obliku raznih spojeva, uklju?uju?i vodu , soli, silikate i okside. Atomi su također spojeni u obliku materijala koji se ne sastoje iz molekula, kao ?to su kristali ili te?ni i ?vrsti metali. ^{[133] [134]} Takva atomska materija gradi umre?ene sisteme koji ne posjeduju određenu vrstu kona?nog, razdijeljenog rasporeda u vrlo malom obimu, ?to je karakteristika molekularne materije. ^[135]

Glavni ?lanak: Transaktinoidni elementi

Iako je poznato da su izotopi sa atomskim brojem vi?im od 82 ( olovo ) radioaktivni, neki nau?nici ?pekuli?u o postojanju " ostrva stabilnosti " za neke elemente sa atomskim brojevima iznad 103. Takvi superte?ki elementi bi mogli imati atomska jezgra koja su relativno stabilna u odnosu na radioaktivni raspad. ^[136] Jedan od mogu?ih kandidata za stabilni superte?ki atom jeste unbiheksij , koji bi trebao imati 126 protona i 184 neutrona. ^[137]

Svaka ?estica materija ima odgovaraju?u ?esticu antimaterije sa suprotnim elektri?nim nabojem. Prema tome, pozitron je pozitivni naelektrisani antielektron dok je antiproton negativno nabijeni ekvivalent protonu. Prema pretpostavkama, kada se ?estice obi?ne materije i antimaterije dodirnu, one poni?tavaju jedna drugu. Iz tog razloga, zajedno sa neravnote?om između broja ?estice materije i antimaterije, antimaterija je vrlo rijetka u svemiru. Konkretni razlozi za ovu neravnote?u jo? uvijek nisu u potpunosti shva?eni, mada teorije bariogeneze nude određena obja?njenja. Kao rezultat te pojave, u prirodi jo? nisu otkriveni atomi antimaterije. ^{[138] [139]} Međutim, u laboratoriji CERN u ?enevi 1996. godine sintetiziran je antimaterijski ekvivalent atomu vodika (antivodik, antihidrogen). ^{[140] [141]}

Druge egzoti?ne vrste atoma napravljene su zamjenom jednog od protona, neutrona ili elektrona sa drugim ?esticama iste vrste naelektrisanja. Naprimjer, elektron se mo?e zamijeniti mnogo masivnijom ?esticom, mionom , pri ?emu nastaje mionski atom . Takve vrste atoma se mogu koristiti za istra?ivanje osnovnih pretpostavki fizike. ^{[142] [143] [144]}

1. ↑ Za najnovija a?uriranja pogledajte interaktivnu kartu nuklida (Nacionalna laboratorija Brookhaven) Arhivirano 2020-07-25 na Wayback Machine-u .
2. ↑ Karat ima 200 miligrama. Po definiciji , izotop ugljik-12 ima masu 0,012 kg po molu. Avogadrova konstanta definira da u jednom molu ima ?ablon:FormattingError atoma.

	U Wikimedijinoj ostavi nalazi se ?lanak na temu: Atom
	U Wikimedijinoj ostavi ima jo? materijala vezanih za: Atom
	Potra?ite izraz atom u W(j)e?niku , slobodnom r j e?niku.

• Web courseware Povijest fizike Arhivirano 2012-08-02 na Wayback Machine-u
• s_HEUHyoZWI "Quantum Mechanics and the Structure of Atoms" na YouTube
• Freudenrich, Craig C.. ?How Atoms Work” . How Stuff Works. Arhivirano iz originala na datum 2007-01-08 . Pristupljeno 9 January 2007 .  
• ?The Atom” . Free High School Science Texts: Physics . Wikibooks . Pristupljeno 10 July 2010 .  
• Anonymous (2007). ?The atom” . Science aid+ . Pristupljeno 10 July 2010 .   ?a guide to the atom for teens.
• Anonymous (3 January 2006). ?Atoms and Atomic Structure” . BBC. Arhivirano iz originala na datum 2007-01-02 . Pristupljeno 11 January 2007 .  
• Various (3 January 2006). ?Physics 2000, Table of Contents” . University of Colorado. Arhivirano iz originala na datum 2008-01-14 . Pristupljeno 11 January 2008 .  
• Various (3 February 2006). ?What does an atom look like?” . University of Karlsruhe. Arhivirano iz originala na datum 2010-04-17 . Pristupljeno 12 May 2008 .