Άτομο

Άτομο του Ηλίου
Το άτομο του Ηλίου στη θεμελιώδη του κατάσταση.
Μία αναπαράσταση του ατόμου του ηλίου, όπου με ροζ χρώμα απεικονίζεται ο πυρήνας και το ηλεκτρονικό νέφος του με μαύρο χρώμα. Ο πυρήνας (επάνω δεξιά) είναι στην ουσία σφαιρικά συμμετρικός, ενώ σε μεγαλύτερους πυρήνες αυτό δεν ισχύει πάντοτε. Η μαύρη ταινία αναπαριστά το μήκος ενός άνγκστρεμ, που ισούται με 10−10 m ή με 100.000 fm.
Κατάταξη
Το μικρότερο αναγνωρίσιμο τμήμα ενός χημικού στοιχείου
Ιδιότητες
Μάζα: 1.67 × 10-24  ως 4.52 × 10-22  g Ηλεκτρικό φορτίο: Μηδενικό (ουδέτερο), ή ιοντικό φορτίο Εύρος διαμέτρου: 31 pm (He) ως 520 pm (Cs) Συστατικά: Ηλεκτρόνια και ένας συμπαγής ατομικός πυρήνας από πρωτόνια και νετρόνιο

Στη χημεία και φυσική, ένα άτομο (ετυμ. = άτμητο < α στερητ. + τέμνω) είναι το μικρότερο δυνατό σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου το οποίο διατηρεί χημικές ιδιότητες. Η λέξη άτομο αρχικά εννοούσε το μικρότερο δυνατό άτμητο σωματίδιο, αλλά στη συνέχεια ο όρος αυτός απέκτησε ειδικό νόημα στην επιστήμη όταν βρέθηκε πως και τα άτομα αποτελούνται από μικρότερα υποατομικά σωματίδια.

Τα περισσότερα άτομα αποτελούνται από τρεις τύπους υποατομικών σωματιδίων τα οποία διέπουν τις ιδιότητες των πρώτων:

• ηλεκτρόνια, τα οποία έχουν αρνητικό φορτίο και έχουν τη μικρότερη μάζα από όλα τα τρία.
• πρωτόνια, τα οποία έχουν θετικό φορτίο και έχουν μάζα περίπου 1836 φορές μεγαλύτερη από αυτή των ηλεκτρονίων και
• νετρόνια, τα οποία δε φέρουν φορτίο και έχουν μάζα περίπου 1838 φορές μεγαλύτερη από αυτή των ηλεκτρονίων.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι και τα δύο νουκλεόνια και σχηματίζουν τον συμπαγή ατομικό πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν το πολύ μεγαλύτερης έκτασης ηλεκτρονικό νέφος το οποίο περιβάλλει τον πυρήνα.

Τα άτομα διαφέρουν στον αριθμό του κάθε είδους υποατομικών σωματιδίων που περιέχουν. Ο αριθμός των πρώτονιων σε ένα άτομο (ο λεγόμενος ατομικός αριθμός) καθορίζει το στοιχείο του ατόμου. Για ένα συγκεκριμένο στοιχείο, ο αριθμός των νετρονίων δεν είναι μοναδικός ενώ ο αριθμός τους καθορίζει το ισότοπο του συγκεκριμένου στοιχείου. Τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα αν έχουν ίσο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια τα οποία βρίσκονται μακρύτερα από τον πυρήνα μπορούν να μεταφερθούν σε άλλα γειτονικά άτομα ή ακόμη και να μοιρασθούν μεταξύ τους. Άτομα τα οποία έχουν έλλειμμα ή περίσσεια ηλεκτρονίων ονομάζονται ιόντα. Ο αριθμός των πρωτονίων και νετρονίων στον ατομικό πυρήνα μπορεί επίσης να αλλάζει, μέσω της πυρηνικής σύντηξης ή της πυρηνικής σχάσης.

Τα άτομα είναι οι θεμελιώδεις οικοδομικοί λίθοι της χημείας, και διατηρούνται στις χημικές αντιδράσεις. Τα άτομα είναι ικανά να σχηματίζουν μεταξύ τους δεσμούς δίνοντας μόρια και άλλου τύπου χημικά στοιχεία. Τα μόρια αποτελούνται από πολλαπλά άτομα. Για παράδειγμα, ένα μόριο νερού είναι συνδυασμός δύο ατόμων υδρογόνου και ενός ατόμου οξυγόνου.

Ιδιότητες του ατόμου

Υποατομικά σωματίδια

Παρόλο που το όνομα άτομο δόθηκε τη στιγμή που τα άτομα πιστευόταν πως ήταν αδιαίρετα, τώρα είναι γνωστό πως ένα άτομο μπορεί να διαχωριστεί σε έναν αριθμό μικρότερων συστατικών. Το πρώτο από αυτά που ανακαλύφθηκαν ήταν το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο, το οποίο εύκολα μπορεί να αποβάλλει ένα άτομο κατά τον ιονισμό του. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από ένα συμπαγή σώμα το οποίο περιέχει όλο το θετικό φορτίο του ατόμου, τον ατομικό πυρήνα. Ο πυρήνας με τη σειρά του αποτελείται από νουκλεόνια: θετικά φορτισμένα πρωτόνια και αφόρτιστα νετρόνια.

Πριν το 1961, τα υποατομικά σωματίδια πιστευόταν πως ήταν μόνο τα πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Ωστόσο, τα πρωτόνια και τα νετρόνια αυτά καθ' αυτά γνωρίζουμε σήμερα πως αποτελούνται από ακόμα μικρότερα σωματίδια, τα λεγόμενα quarks. Επιπλέον, το ηλεκτρόνιο είναι γνωστό πως έχει έναν σχεδόν χωρίς μάζα 'σύντροφο', το νετρίνο. Και τα δύο, ηλεκτρόνιο και νετρίνο, είναι λεπτόνια.

Συνηθέστερα τα άτομα αποτελούνται μόνο από quarks και λεπτόνια πρώτης γενιάς. Το πρωτόνιο αποτελείται από δύο 'πάνω' (up) quarks και ένα 'κάτω' (down), ενώ το νετρόνιο αποτελείται από ένα 'πάνω' και δύο 'κάτω'. Παρόλο που δε συναντιόνται στη συνηθισμένη ύλη, οι άλλες δύο πιο βαρύς γενιές quarks και λεπτονίων μπορούν να παραχθούν σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας.

Το υποατομικά σωματίδια φορείς δυνάμεων, γλουόνια (ή κολλητόνια), είναι επίσης σημαντικά στα άτομα. Τα ηλεκτρόνια παραμένουν στο άτομο λόγω δυνάμεων ηλεκτρομαγνητικής φύσης οι οποίες αναπτύσσονται μεταξύ αυτών και του πυρήνα. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκρατούνται μαζί στον πυρήνα με τη βοήθεια των γλουονίων, φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.

Ηλεκτρονική δομή

Η χημική συμπεριφορά των ατόμων οφείλεται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια των ατόμων παραμένουν σε προβλέψιμες ηλεκτρονικές δομές. Αυτές οι δομές καθορίζονται από τη κβαντομηχανική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μέσα στο δυναμικό του πυρήνα. Ο κύριος κβαντικός αριθμός καθορίζει συγκεκριμένους ηλεκτρονικούς φλοιούς(ή αλλιώς στοιβάδες) συγκεκριμένης ενέργειας η κάθε μία. Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια ενός φλοιού τόσο πιο μακριά βρίσκεται από τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια στον εξώτατο φλοιό ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους και έχουν την μεγαλύτερη επίδραση στην χημική συμπεριφορά του ατόμου. Τα εσωτερικά ηλεκτρόνια, αυτά που δεν ανήκουν δηλαδή στο φλοιό σθένους επίσης παίζουν κάποιο ρόλο, μικρότερης ισχύος όμως λόγω της θωράκισης του θετικά φορτισμένου πυρήνα.

Ένας ηλεκτρονικός φλοιός μπορεί να συγκρατήσει μέχρι 2n² ηλεκτρόνια, όπου n είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός του φλοιού αυτού. Ο τελευταίος (αυτός με το υψηλότερο n) κατηλλημένος φλοιός, ακόμα κι αν αυτός έχει ένα μόνο ηλεκτρόνιο, ονομάζεται φλοιός σθένους. Στην πιο σταθερή θεμελιώδη κατάσταση, τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου συμπληρώνουν τους φλοιούς με σειρά αυξανόμενης ενέργειας. Κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να διεγερθεί σε ένα υψηλότερης ενέργειας φλοιό (για παράδειγμα, απορροφώντας ενέργεια από μία εξωτερική πηγή και μεταπηδώντας σε έναν υψηλότερο φλοιό), αφήνοντας μία κενή θέση σε χαμηλότερο φλοιό. Ένα διεγερμένο ηλεκτρόνιο μπορεί τυχαία να μεταπηδήσει σε χαμηλότερο φλοιό, εκπέμποντας ενέργεια ίση με τη διαφορά ενεργειών του αρχικού και τελικού φλοιού, υπό τη μορφή φωτονίων και το άτομο επιστρέφει στη θεμελιώδη κατάσταση.

Εκτός του κυρίως κβαντικού αριθμού, ένα ηλεκτρόνιο χαρακτηρίζεται από άλλους 3 κβαντικούς αριθμούς: τον αζιμουθιακό κβαντικό αριθμό l (ο οποίος περιγράφει την τροχιακή στροφορμή του ηλεκτρονίου), τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό m (ο οποίος περιγράφει την διεύθυνση του διανύσματος της στροφορμής), και τον κβαντικό αριθμό του σπιν s (ο οποίος περιγράφει την διεύθυνση της εσωτερικής στροφορμής του ηλεκτρονίου). Για τον συμβολισμό του κβαντικού αριθμού l χρησιμοποιούνται τα γράμματα s, p, d και f τα οποία αντιστοιχούν σε l = 0, 1, 2 και 3 και περιγράφουν τη μορφή του ατομικού τροχιακού. Στα περισσότερα άτομα διαφορετικά l περιγράφουν και καταστάσεις διαφορετικής ενέργειας, μη δηλαδή εκφυλισμένες. Οι διαφορές αυτές καθορίζουν την λεπτή δομή του ατόμου. Διαφορετικά m δίνουν εκφυλισμένες καταστάσεις μόνο στην περίπτωση απουσίας εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Αντίθετα, εμφανίζεται το φαινόμενο Zeeman κατά το οποίο οι εκφυλισμένες καταστάσεις διαχωρίζονται καθορίζοντας έτσι την υπέρλεπτη δομή του ατόμου.

Πυρήνας

Κύριο άρθρο: Ατομικός πυρήνας.

Τα πρωτόνια και νετρόνια όπου αποτελούν τον πυρήνα ονομάζονται νουκλεόνια. Τα νουκλεόνια συγκροτούνται μεταξύ τους στο πυρήνα με την ισχυρή πυρηνική δύναμη.

Οι πυρήνες υπόκεινται σε μετασχηματισμούς όπου μπορούν να μεταβάλλουν τον αριθμό των πρωτονίων και νετρονίων όπου περιέχουν, μία διαδικασία η οποία ονομάζεται ραδιενεργός διάσπαση ή Πυρηνική σχάση. Όταν πυρηνικοί μετασχηματισμοί λαμβάνουν χώρα τυχαία, η διαδικασία αυτή ονομάζεται ραδιενέργεια. Οι ραδιενεργές διασπάσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν με μία σειρά διαφορετικών τρόπων, αλλά ο πιο συνήθης είναι μέσω της διάσπασης άλφα (εκπομπή πυρήνων ηλίου) και διάσπαση βήτα (εκπομπή ηλεκτρονίων). Διασπάσεις στις οποίες συμμετέχουν ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια οφείλονται στην ασθενή πυρηνική αλληλεπίδραση.

Επιπλέον, όπως τα ηλεκτρόνια του ατόμου, τα νουκλεόνια του πυρήνα μπορούν να διεγερθούν σε καταστάσεις υψηλότερης ενέργειας. Ωστόσο, αυτού του είδους οι μεταβάσεις απαιτούν χιλιάδες φορές περισσότερη ενέργεια από ότι οι διεγέρσεις ηλεκτρονίων. Όταν ένας διεγερμένος πυρήνας εκπέμψει ένα φωτόνιο για να επιστρέψει στη θεμελιώδη κατάσταση, το φωτόνιο έχει πολύ υψηλή ενέργεια και ονομάζεται ακτίνες γάμα.

Πυρηνικοί μετασχηματισμοί λαμβάνουν χώρα επίσης σε πυρηνικές αντιδράσεις. Στη πυρηνική σύντηξη, δύο ελαφρύτεροι πυρήνες συνδυάζονται σε έναν βαρύτερο πυρήνα. Στην πυρηνική σχάση, ένας βαρύς πυρήνας διαχωρίζεται σε δύο ή περισσότερους ελαφρύτερους πυρήνες.

Τα άτομα είναι πολύ μικρότερα του μήκους κύματος του φωτός όπου η ανθρώπινη όραση μπορεί να ανιχνεύσει, επομένως τα άτομα δε μπορούν να φανούν με χρήση οπτικού μικροσκοπίου, οποιουδήποτε τύπου. Ωστόσο, υπάρχουν μέθοδοι ανίχνευσης και απεικόνισής της θέσης των ατόμων στην επιφάνεια ενός στερεού σώματος ή ενός λεπτού υμενίου. Οι μέθοδοι αυτοί περιλαμβάνουν: την ηλεκτρονική μικροσκοπία (όπως στην ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης φαινομένου σήραγγας (STM)), τη μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM), το μαγνητικό πυρηνικό συντονισμό (NMR) και τη μικροσκοπία ακτίνων X.

Καθώς το ηλεκτρονικό νέφος δεν έχει αυστηρά καθορισμένα όρια, το μέγεθος του ατόμου δε μπορεί να οριστεί εύκολα. Για άτομα τα οποία μπορούν να σχηματίσουν στερεά κρυσταλλικά πλέγματα, η απόσταση μεταξύ των κέντρων γειτονικών ατόμων μπορεί εύκολα να προσδιοριστεί με χρήση της περίθλασης ακτίνων Χ, δίνοντας μία εκτίμηση για το μέγεθος των ατόμων. Για κάθε άτομο, για την περιγραφή του μεγέθους, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ακτίνα στην οποία είναι πιο πιθανό να βρεθούν τα ηλεκτρόνια σθένους. Για παράδειγμα, το μέγεθος του ατόμου του υδρογόνου εκτιμάται περίπου 1.0586×10⁻¹⁰m (διπλάσια τιμή από αυτή της ακτίνας του Bohr). Αναφορικά, το μέγεθος του πρωτονίου (το μοναδικό σωματίδιο στον πυρήνα του υδρογόνου), είναι περίπου 10^-15. Δηλαδή, ο λόγος του μεγέθους του ατόμου του υδρογόνου προς το μέγεθος του πυρήνα του είναι περίπου 100.000:1. Αν το άτομο είχε το μέγεθος ενός σταδίου ο πυρήνας θα είχε το μέγεθος ενός σβόλου. Σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου βρίσκεται στον πυρήνα του, ωστόσο σχεδόν όλος ο χώρος ενός ατόμου καταλαμβάνεται από τα ηλεκτρόνια του.

Άτομα διαφόρων στοιχείων έχουν διαφορετικά μεγέθη, όμως τα μεγέθη αυτά δεν εξαρτώνται γραμμικά από τη μάζα του ατόμου. Το μέγεθος του είναι σχεδόν το ίδιο εντός των ορίων ενός συντελεστή 2. Ο λόγος είναι ότι τα βαρύτερα στοιχεία έχουν μεγάλο θετικό φορτίο στον πυρήνα, το οποίο έλκει ισχυρά τα ηλεκτρόνια στο κέντρο του πυρήνα. Αυτό συστέλλει το μέγεθος του ηλεκτρικού νέφους και κατά αυτό τον τρόπο, περισσότερα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν μόνο λίγο περισσότερο όγκο.

Η θερμοκρασία μιας συλλογής από άτομα είναι το μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας αυτών. Στους 0 βαθμούς Κέλβιν (θερμοκρασία απόλυτου μηδενός) τα άτομα δεν κινούνται. Καθώς η θερμοκρασία του συστήματος αυξάνεται, η κινητική ενέργεια των σωματιδίων αυξάνεται, οπως επίσης αυξάνεται και η ταχύτητα τους. Σε θερμοκρασία δωματίου, τα άτομα στη φάση του αερίου κινούνται με ταχύτητες 500m/s (ή 1800km/h)

Στοιχεία, ισότοπα και ιόντα

Τα άτομα γενικά κατηγοριοποιούνται βάση του ατομικού τους αριθμού Z, ο οποίος ανταποκρίνεται στον αριθμό των πρωτονίων του ατόμου. Ο ατομικός αριθμός καθορίζει το στοιχείο του ατόμου. Για παράδειγμα, τα άτομα άνθρακα περιέχουν έξι πρωτόνια. Όλα τα άτομα με τον ίδιο ατομικό αριθμό χαρακτηρίζονται από μία σειρά ίδιων φυσικών και χημικών ιδιοτήτων. Τα στοιχεία μπορούν να ταξινομηθούν, όπως στον περιοδικό πίνακα, με σειρά αυξανωμένου ατομικού αριθμού.

Η ατομική μάζα A(ή ατομικός αριθμός, ή αριθμός νουκλεονίων) ενός στοιχείου είναι το άθροισμα των πρωτονίων και των νετρονίων ενός ατόμου, ονομαζόμενη κατ΄ αυτό τον τρόπο λόγω του γεγονότος ότι η μάζα κάθε πρωτονίου ή νετρονίου είναι περίπου ίση με 1 amu. Ο αριθμός των νετρονίων Α-Ζ ενός ατόμου δεν έχει επίδραση στο είδος του στοιχείου. Κάθε στοιχείο έχει διάφορα είδη ατόμων, όλα με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων αλλά με διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Κάθε ένα από αυτά έχει τον ίδιο ατομικό αριθμό αλλά διαφορετική ατομική μάζα. Αυτά τα άτομα ονομάζονται ισότοπα ενός στοιχείου. Γράφοντας το όνομα ενός ισοτόπου, το όνομα του στοιχείου συμπληρώνεται από την ατομική μάζα. Για παράδειγμα, ο άνθρακας-14 περιέχει 6 πρωτόνια και 8 νετρόνια, ενώ έχει ολική ατομική μάζα 14.

Η ατομική μάζα η οποία αναφέρεται σε κάθε στοιχείο του περιοδικού πίνακα είναι ο μέσος όρος των μαζών των ισοτόπων του στοιχείου τα οποία βρίσκονται στη φύση, αντισταθμισμένες με το ποσοστό αφθονίας.

Το απλούστερο άτομο είναι το ισότοπο του υδρογόνου, πρώτιο, το οποίο έχει ατομικό αριθμό 1 και ατομική μάζα 1. Αποτελείται δηλαδή από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Το ισότοπο του υδρογόνου το οποίο αποτελείται επιπλέον από ένα νετρόνιο ονομάζεται δευτέριο ή υδρογόνο-2. Το ισότοπο του υδρογόνου το οποίο αποτελείται από 2 νετρόνια ονομάζεται τρίτιο ή υδρογόνο-3. Το τρίτιο είναι ασταθές και διασπάται με μία διαδικασία η οποία ονομάζεται ραδιενέργεια. Σχεδόν όλα τα ισότοπα κάθε στοιχείου είναι ραδιενεργά και μόνο λίγα ευσταθή. Τα στοιχεία με ατομικό αριθμό 84 (πολώνιο) ή μεγαλύτερο δεν έχουν ευσταθή ισότοπα και είναι όλα ραδιενεργά.

Σχεδόν όλα τα ελαφρύτερα από το ουράνιο (Z=92) στοιχεία έχουν αρκετά ευσταθή ισότοπα ώστε να εμφανιστούν φυσικά στη Γη. Αρκετά στοιχεία τα οποία δε συναντόνται στη Γη έχουν βρεθεί παρόντα σε άστρα. Στοιχεία όπου δε βρίσκονται φυσιολογικά στη φύση έχουν τεχνητα δημιουργηθεί με πυρηνικό βομβαρδισμό. Μέχρι αυτή τη στιγμή (2006), έχουν τεχνητά δημιουργηθεί στοιχεία με ατομικό αριθμό μέχρι και 116. Αυτά τα εξαιρετικά βαριά στοιχεία είναι γενικά πολύ ασταθή και διασπώνται γρήγορα.

Άτομα όπου έχουν χάσει ή κερδίσει ηλεκτρόνια ονομάζονται ατομικά ιόντα (με θετικό (+) είτε με αρνητικό (-) φορτίο, αντίστοιχα)

Σθένος και δεσμοί

Ο αριθμός ηλεκτρονίων στον εξωτερικό φλοιό (το φλοιό σθένους) ενός ατόμου διέπει τη δεσμική συμπεριφορά του. Συνεπώς, στοιχεία με τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων σθένους ομαδοποιούνται σε στήλες στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Τα αλκάλια, αποτελούνται από ένα ηλεκτρόνιο στον εξωτερικό φλοιό, οι αλκαλικές γαίες από δύο, τα αλογόνα από εφτά κτλ.

Κάθε άτομο είναι περισσότερο ευσταθές με συμπληρωμένο το φλοιό σθένους. Κατ' επέκταση άτομα με γεμάτο το φλοιό σθένους (όπως στα ευγενή αέρια) είναι πολύ αδρανή. Αντιθέτως, άτομα με λίγα ηλεκτρόνια στο φλοιό σθένους είναι περισσότερο αντιδρώντα. Επιπλέον, άτομα τα οποία χρειάζονται λίγα μόνο ηλεκτρόνια (όπως τα αλογόνα) για τη συμπλήρωση του φλοιού σθένους είναι επίσης αρκετά αντιδρώντα. Το φθόριο είναι το περισσότερο αντιδρών από όλα τα στοιχεία.

Τα άτομα μπορούν να συμπληρώσουν το φλοιό σθένους μέσω ενός χημικού δεσμού. Αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: Ένα άτομο μπορεί είτε να μοιρασθεί κάποια ηλεκτρόνια με άλλα άτομα (ομοιοπολικός δεσμός), ή να αφαιρέσει ηλεκτρόνια (ή να δώσει) από ένα άλλο άτομο (ετεροπολικός δεσμός). Ο σχηματισμός ενός δεσμού προκαλεί ισχυρή έλξη μεταξύ δύο ατόμων, δημιουργώντας μόρια ή ιοντικές ενώσεις. Υπάρχουν και άλλοι τύποι δεσμών, όπως:

• οι μεταλλικοί δεσμοί
• οι δεσμοί υδρογόνου
• οι δεσμοί Van der Waals

Ουσιαστικά, ο διαχωρισμός μεταξύ των διαφόρων δεσμών προκύπτει από τη διαφορετική ανά περίπτωση λύση της κυμματοσυνάρτησης των ηλεκτρονίων μέσα στο δυναμικό των ατομικών πυρήνων.

Ατομικό φάσμα

Καθώς κάθε στοιχείο του περιοδικού πίνακα αποτελείται από ένα άτομο μοναδικής δομής με μοναδικό αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων, κάθε στοιχείο μπορεί επίσης να περιγραφεί μοναδικά από τις ενέργειες των ατομικών του φλοιών και τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε αυτούς. Υπό φυσιολογικές συνθήκες ένα άτομο βρίσκεται στην κατώτατη ενέργειας θεμελιώδη στάθμη. Καταστάσεις μεγαλύτερης ενέργειας ονομάζονται διεγερμένες καταστάσεις. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να μεταφερθεί από μία στάθμη χαμηλότερης ενέργειας σε μία υψηλότερης απορροφώντας ένα φωτόνιο με ενέργεια ίση με την διαφορά ενεργειών των δύο σταθμών. Ένα ηλεκτρόνιο σε υψηλής ενέργειας στάθμη μπορεί να επανέλθει σε μια στάθμη χαμηλότερης ενέργειας εκπέμποντας ένα φωτόνιο. Καθώς το κάθε στοιχείο χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένες τιμές ενεργειακών επιπέδων, το κάθε άτομο δημιουργεί ένα μοναδικό φάσμα φωτός.

Αν μία συλλογή από άτομα θερμανθεί, τα ηλεκτρόνια τους θα μεταφερθούν σε διεγερμένες καταστάσεις. Όταν αυτά τα άτομα επιστρέψουν στην θεμελιώδη κατάσταση, ένα φάσμα εκπομπής παράγεται. Αν μία συλλογή από άτομα φωτισθεί από φως συνεχούς φάσματος, θα απορροφήσει φωτόνια συγκεκριμένων μόνο μήκη κυμμάτος, ενέργεια ίση με τη διαφορά των ενεργειακών του επιπέδων. Η τελική εικόνα των κενών στο αρχικό φάσμα ονομάζεται φάσμα απορρόφησης.

Στη φασματοσκοπική ανάλυση, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν έναν φασματογράφο για να μελετήσουν τα άτομα στα άστρα και άλλα μακρινά αντικείμενα. Χάρις στις ξεχωριστές φασματικές γραμμές που κάθε στοιχείο παράγει, είναι σε θέση να προβλέψουν τη χημική σύσταση των αντικειμένων που μελετούν.

Το ατομικό φάσμα δε βρίσκεται εξ ολοκλήρου μέσα στην περιοχή του ορατού ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Για παράδειγμα, οι μεταβάσεις υπέρλεπτης δομής (μαζί με αυτές και η σημαντική γραμμή στα 21cm) παράγουν χαμηλής ενέργειας ραδιοκύμματα. Όταν τα ηλεκτρόνια κοντά στον πυρήνα εκπεμφθούν από το άτομο (για παράδειγμα με χρήση ακτινοβολίας βήτα), άλλα ηλεκτρόνια μεγαλύτερων σταθμών παίρνουν τη θέση των πρώτων εκπέμποντας υψηλής ενέργειας ακτίνες Χ.

Άτομα και αντιύλη

Η αντιύλη μπορεί επίσης να δημιουργήσει άτομα με τη βοήθεια ποζιτρονίων, αντιπρωτονίων και αντινετρονίων. Καθώς η αντιύλη είναι δύσκολο να παραχθεί και να αποθηκευτεί, μόνο μία μικρή ποσότητα αντιυδρογόνου υπήρξε ποτέ στην Γη. Αυτή παράχθηκε στο CERN κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ATHENA και ATRAP με τη χρήση επιβραδυντή αντιπρωτονίων.

Άτομα και η Μεγάλη Έκρηξη

Στα μοντέλα της Μεγάλης Έκρηξης, η νουκλεοσύνθεση της Μεγάλης Έκρηξης προβλέπει ότι τα πρώτα ένα έως τρία λεπτά δημιουργήθηκε σχεδόν όλη η ατομική μάζα στο σύμπαν. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, πυρήνες υδρογόνου και ηλίου σχηματίστηκαν σε αφθονία, αλλά σχεδόν κανένα άλλο στοιχείο βαρύτερο του λιθίου. Το υδρογόνο αποτελεί περίπου το 75% των ατόμων του σύμπαντος, το ήλιο το 24% ενώ το υπόλοιπο 1% ανήκει στα υπόλοιπα στοιχεία. Ωστόσο, παρόλο που πυρήνες (πλήρως ιονισμένα άτομα) σχηματίστηκαν, ουδέτερα άτομα δε μπόρεσαν να σχηματιστούν λόγω υψηλής θερμότητας.

379000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν η κοσμική θερμοκρασία είχε πέσει στους περίπου 3000K, οι συνθήκες έγιναν κατάλληλες ώστε οι πυρήνες να συλλάβουν ηλεκτρόνια και έτσι σχηματίστηκαν τα πρώτα ουδέτερα άτομα. Με το σχηματισμό των ατόμων, μόνο φωτόνια συγκεκριμένων ενεργειών μπορούσαν να απορροφηθούν και να εκπεμφθούν. Αυτά τα φωτόνια είναι ακόμα και σήμερα ανιχνεύσιμα στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Μετά την αρχική νουκλεοσύνθεση δε δημιουργήθηκαν βαρύτερα στοιχειά παρά μόνο μετά το σχηματισμό των πρώτων άστρων. Σε αυτά τα άστρα έλαβε χώρα η σύντηξη πυρήνων ατόμων προς βαρύτερους πυρήνες. Η παραγωγή των βαρύτερων αυτών πυρήνων τελικά επέτρεψε τον σχηματισμό πλανητών όπως η Γη.