Atom

Atom
Çekirdeği (pembe) ve elektron bulutu dağılımını (siyah) gösteren helyum atomunun bir örneği . Helyum-4'teki çekirdek (sağ üst) gerçekte küresel olarak simetriktir ve elektron bulutuna çok benzer, ancak daha karmaşık çekirdekler için durum her zaman böyle değildir. Siyah çubuk bir angstrom (10 −10  m veya100  pm ).
Sınıflandırma
Kimyasal bir elementin tanınan en küçük bölümü
Özellikleri
Kütle aralığı	1,67 × 10 −27 ile4,52 × 10 −25  kg
Elektrik şarjı	sıfır (nötr) veya iyon şarjı
Çap aralığı	62 pm ( He ) - 520 pm ( Cs ) ( veri sayfası )
Bileşenler	Elektronlar ve kompakt bir çekirdek içinde proton ve nötronlar

Bir atom sıradan en küçük birimidir madde bir oluşturur kimyasal element . Her katı , sıvı , gaz ve plazma nötr veya iyonize atomlardan oluşur. Atomlar son derece küçüktür, tipik olarak yaklaşık 100  pikometre çapında. O kadar küçükler ki, klasik fizik kullanarak davranışlarını doğru bir şekilde tahmin etmek - örneğin tenis topları gibi - kuantum etkileri nedeniyle mümkün değil .

Her atom bir çekirdekten ve çekirdeğe bağlı bir veya daha fazla elektrondan oluşur . Çekirdek, bir veya daha fazla proton ve birkaç nötrondan oluşur . Sadece en yaygın hidrojen çeşidinde nötron yoktur. Bir atomun kütlesinin % 99,94'ünden fazlası çekirdek içindedir. Protonların pozitif elektrik yükü vardır , elektronların negatif elektrik yükü vardır ve nötronların elektrik yükü yoktur. Protonların ve elektronların sayısı eşitse, atom elektriksel olarak nötrdür. Bir atomun protonlardan daha fazla veya daha az elektronu varsa, o zaman sırasıyla genel olarak negatif veya pozitif bir yüke sahiptir - bu atomlara iyon denir .

Bir atomun elektronları, elektromanyetik kuvvet tarafından bir atom çekirdeğindeki protonlara çekilir . Çekirdekteki protonlar ve nötronlar, nükleer kuvvet tarafından birbirlerine çekilir . Bu kuvvet genellikle pozitif yüklü protonları birbirinden uzaklaştıran elektromanyetik kuvvetten daha güçlüdür. Belirli koşullar altında, itici elektromanyetik kuvvet nükleer kuvvetten daha güçlü hale gelir. Bu durumda çekirdek bölünür ve farklı elementlerin arkasında kalır . Bu bir tür nükleer çürüme .

Çekirdekteki proton sayısı atom numarasıdır ve atomun hangi kimyasal elemente ait olduğunu tanımlar. Örneğin, 29 proton içeren herhangi bir atom bakırdır . Nötron sayısı , elementin izotopunu tanımlar . Atomlar, moleküller veya kristaller gibi kimyasal bileşikler oluşturmak için kimyasal bağlarla bir veya daha fazla başka atoma bağlanabilir . Doğada gözlemlenen fiziksel değişikliklerin çoğundan atomların birleşme ve ayrışma yeteneği sorumludur. Kimya , bu değişiklikleri inceleyen bilim dalıdır.

Atom teorisinin tarihi

Felsefede

Maddenin küçük bölünemez parçacıklardan oluştuğu şeklindeki temel fikir çok eskidir ve Yunanistan ve Hindistan gibi birçok eski kültürde ortaya çıkmaktadır . Kelimesinin atomu eski Yunan kelime türetilmiştir Atomos "uncuttable" anlamına gelir. Bu eski fikir, bilimsel akıl yürütmeden çok felsefi akıl yürütmeye dayanıyordu ve modern atom teorisi bu eski kavramlara dayanmıyor. Bununla birlikte, "atom" kelimesinin kendisi, maddenin nihayetinde doğası gereği tanecikli olduğundan şüphelenen düşünürler tarafından çağlar boyunca kullanıldı. ^{[1] [2]}

Dalton'un çoklu oranlar yasası

1800'lerin başında, bir İngiliz kimyager John Dalton , kendisi ve diğer bilim adamları tarafından toplanan deneysel verileri derledi ve şimdi " çoklu oranlar yasası " olarak bilinen bir model keşfetti . Belirli bir kimyasal element içeren kimyasal bileşiklerde, bu bileşiklerdeki bu elementin içeriğinin küçük tam sayı oranlarına göre farklılık göstereceğini fark etti. Bu model, Dalton'a, her bir kimyasal elementin, bazı temel ve tutarlı bir kütle birimi ile diğerleriyle birleştiğini önerdi.

Örneğin, iki tür kalay oksit vardır : biri% 88,1 kalay ve% 11,9 oksijen olan siyah toz, diğeri% 78,7 kalay ve% 21,3 oksijen olan beyaz bir tozdur. Bu rakamlar ayarlandığında, siyah oksitte her 100 gr kalay için yaklaşık 13,5 gr oksijen vardır ve beyaz oksitte her 100 gr kalay için yaklaşık 27 gr oksijen bulunur. 13.5 ve 27, 1: 2 oranını oluşturur. Bu oksitlerde, her kalay atomu için sırasıyla bir veya iki oksijen atomu vardır ( SnO ve SnO 2 ). ^{[3] [4]}

İkinci bir örnek olarak, Dalton iki demir oksidi değerlendirdi :% 78.1 demir ve% 21.9 oksijen olan siyah bir toz ve% 70.4 demir ve% 29.6 oksijen olan kırmızı bir toz. Bu rakamlar ayarlandığında, siyah oksitte her 100 g demir için yaklaşık 28 g oksijen vardır ve kırmızı oksitte her 100 g demir için yaklaşık 42 g oksijen vardır. 28 ve 42, 2: 3 oranını oluşturur. Bu ilgili oksitler olarak, demir, her iki atomu için, oksijen, iki ya da üç atom (vardır Fe 2 O 2 ve Fe 2 O 3 ). ^{[a] [5] [6]}

Son bir örnek olarak: nitröz oksit % 63.3 nitrojen ve% 36.7 oksijendir, nitrik oksit % 44.05 nitrojen ve% 55.95 oksijendir ve nitrojen dioksit % 29.5 nitrojen ve% 70.5 oksijendir. Bu rakamlar ayarlandığında, nitröz oksitte her 140 g nitrojen için 80 g oksijen vardır, nitrik oksitte her 140 g nitrojen için yaklaşık 160 g oksijen vardır ve nitrojen dioksitte her 140 g için 320 g oksijen vardır. g nitrojen. 80, 160 ve 320, 1: 2: 4 oranını oluşturur. Bu oksitler, ilgili formüller K 2 O , NO ve NO 2 . ^{[7] [8]}

Gazların kinetik teorisi

18. yüzyılın sonlarında, bir dizi bilim adamı, gazların davranışını mikroskobik altı parçacık koleksiyonları olarak tanımlayarak ve davranışlarını istatistik ve olasılık kullanarak modelleyerek daha iyi açıklayabileceklerini keşfettiler . Dalton'un atom teorisinden farklı olarak, gazların kinetik teorisi, gazların bileşikler oluşturmak için kimyasal olarak nasıl reaksiyona girdiklerini değil, fiziksel olarak nasıl davrandıklarını açıklar: difüzyon, viskozite, iletkenlik, basınç vb.

Brown hareketi

1827'de botanikçi Robert Brown , suda yüzen toz taneciklerine bakmak için bir mikroskop kullandı ve bunların " Brown hareketi " olarak bilinen bir fenomen olan düzensiz bir şekilde hareket ettiklerini keşfetti . Bunun, tahılları deviren su moleküllerinden kaynaklandığı düşünülüyordu. 1905'te Albert Einstein , Brownian hareketinin ilk istatistiksel fizik analizini üreterek bu moleküllerin gerçekliğini ve hareketlerini kanıtladı . ^{[9] [10] [11]} Fransız fizikçi Jean Perrin, Einstein'ın çalışmasını moleküllerin kütlesini ve boyutlarını deneysel olarak belirlemek için kullandı ve böylece maddenin parçacık doğasına ilişkin fiziksel kanıtlar sağladı.^[12]

Elektronun keşfi

1897'de JJ Thomson , katot ışınlarının elektromanyetik dalgalar olmadığını, hidrojenden (en hafif atom) 1.800 kat daha hafif parçacıklardan oluştuğunu keşfetti . Thomson, bu parçacıkların katot içindeki atomlardan geldiği sonucuna vardı - bunlar atom altı parçacıklardı. Bu yeni parçacıklara korpuslar adını verdi, ancak daha sonra elektron olarak yeniden adlandırıldılar . Thomson ayrıca elektronların fotoelektrik ve radyoaktif malzemeler tarafından verilen parçacıklarla aynı olduğunu gösterdi . ^[13] Elektronların elektrik akımı taşıyan parçacıklar olduğu kısa sürede anlaşıldı.metal tellerde. Thomson, bu elektron adı olarak atomuna bölünmez değildir kastedilmektedir onun aletleri katot çok atomuna ortaya sonucuna atomos göstermektedir.

Çekirdeğin keşfi

JJ Thomson , negatif yüklü elektronların, atomun tüm hacmine dağılmış bir pozitif yük denizinde atom boyunca dağıldığını düşünüyordu. ^[14] Bu model bazen erikli puding modeli olarak bilinir .

Ernest Rutherford ve meslektaşları Hans Geiger ve Ernest Marsden , alfa parçacıklarının yük-kütle oranını ölçmek için bir alet geliştirmeye çalıştıklarında zorluklarla karşılaştıktan sonra Thomson modeli hakkında şüphe duymaya başladılar (bunlar, radyum gibi belirli radyoaktif maddeler). Alfa parçacıkları algılama odasındaki hava tarafından saçılıyordu ve bu da ölçümleri güvenilmez kılıyordu. Thomson, katot ışınları üzerindeki çalışmasında da benzer bir sorunla karşılaşmıştı ve bu problemi, enstrümanlarında mükemmele yakın bir vakum oluşturarak çözdü. Rutherford, alfa parçacıkları elektronlardan çok daha ağır olduğu için aynı problemle karşılaşacağını düşünmemişti. Thomson'ın atom modeline göre, atomdaki pozitif yük, bir alfa parçacığını saptıracak kadar güçlü bir elektrik alanı oluşturacak kadar yoğunlaşmamış ve elektronlar o kadar hafiftir ki, çok daha ağır alfa parçacıkları tarafından zahmetsizce bir kenara itilmeleri gerekir. Yine de saçılma vardı, bu yüzden Rutherford ve meslektaşları bu saçılımı dikkatlice araştırmaya karar verdiler. ^[15]

Rutheford ve meslektaşları, 1908 ile 1913 yılları arasında, ince metal folyoları alfa parçacıklarıyla bombaladıkları bir dizi deney gerçekleştirdiler. Alfa parçacıklarının 90 ° 'den büyük açılarla saptırıldığını gördüler. Bunu açıklamak için Rutherford, atomun pozitif yükünün Thomson'ın inandığı gibi atomun hacmi boyunca dağılmadığını, merkezdeki küçük bir çekirdekte yoğunlaştığını öne sürdü. Ancak böyle yoğun bir yük konsantrasyonu, gözlendiği gibi alfa parçacıklarını saptırmaya yetecek kadar güçlü bir elektrik alanı oluşturabilir. ^[15]

İzotopların keşfi

Radyoaktif bozunma ürünleri ile deney yaparken , 1913'te radyokimyacı Frederick Soddy , periyodik tablodaki her konumda birden fazla atom türü olduğunu keşfetti . ^[16] İzotop terimi , Margaret Todd tarafından aynı elemente ait farklı atomlar için uygun bir isim olarak icat edildi . JJ Thomson , iyonize gazlar üzerine yaptığı çalışmayla izotop ayrımı için bir teknik yarattı ve daha sonra kararlı izotopların keşfine yol açtı . ^[17]

Bohr modeli

1913'te fizikçi Niels Bohr , bir atomun elektronlarının çekirdeğin yörüngesinde olduğu varsayıldığı, ancak bunu yalnızca sınırlı bir yörünge kümesinde yapabildiği ve bu yörüngeler arasında yalnızca soğurmaya karşılık gelen ayrık enerji değişimlerinde atlayabildiği bir model önerdi. bir fotonun radyasyonu. ^[18] Bu niceleme, elektronların yörüngelerinin neden kararlı olduğunu (normalde, dairesel hareket de dahil olmak üzere ivmedeki yüklerin elektromanyetik radyasyon olarak yayılan kinetik enerjiyi kaybettiği göz önüne alındığında, bkz. Senkrotron radyasyonu ) ve elementlerin neden elektromanyetik soğurup yaydığını açıklamak için kullanıldı. ayrık spektrumlarda radyasyon. ^[19]

Aynı yıl daha sonra Henry Moseley , Niels Bohr'un teorisi lehine ek deneysel kanıtlar sağladı . Bu sonuçlar Ernest Rutherford'un ve Antonius van den Broek'in atomun çekirdeğinde periyodik tablodaki (atomik) sayısına eşit sayıda pozitif nükleer yük içerdiğini öne süren modelini rafine etti . Bu deneylere kadar atom numarasının fiziksel ve deneysel bir miktar olduğu bilinmiyordu. Atomik nükleer yüke eşit olduğu bugün kabul edilen atom modeli olmaya devam ediyor. ^[20]

Chemical bonds between atoms were explained by Gilbert Newton Lewis in 1916, as the interactions between their constituent electrons.^[21] As the chemical properties of the elements were known to largely repeat themselves according to the periodic law,^[22] in 1919 the American chemist Irving Langmuir suggested that this could be explained if the electrons in an atom were connected or clustered in some manner. Groups of electrons were thought to occupy a set of electron shells about the nucleus.^[23]

Atomun Bohr modeli, atomun ilk tam fiziksel modeliydi. Atomun genel yapısını, atomların birbirine nasıl bağlandığını açıkladı ve hidrojenin spektral çizgilerini tahmin etti. Bohr'un modeli mükemmel değildi ve kısa süre sonra daha doğru Schrödinger modelinin yerini aldı, ancak maddenin atomlardan oluştuğuna dair kalan şüpheleri buharlaştırmak için yeterliydi. Kimyagerler için atom fikri yararlı bir sezgisel araçtı, ancak fizikçilerin maddenin gerçekten atomlardan oluşup oluşmadığı konusunda şüpheleri vardı, çünkü henüz kimse atomun tam bir fiziksel modelini geliştirmemişti.

Schrödinger modeli

Stern-Gerlach deneyi 1922 atom özellikleri kuantum yapısını daha kanıt sağlamıştır. Bir gümüş atomu ışını özel olarak şekillendirilmiş bir manyetik alandan geçirildiğinde, ışın, bir atomun açısal momentumunun veya dönüşünün yönüyle ilişkili bir şekilde bölündü . Bu dönüş yönü başlangıçta rastgele olduğundan, ışının rastgele bir yönde sapması beklenir. Bunun yerine, ışın, manyetik alana göre yukarı veya aşağı yönlendirilen atomik dönüşe karşılık gelen iki yönlü bileşene ayrıldı . ^[24]

1925'te Werner Heisenberg , kuantum mekaniğinin ( matris mekaniği ) ilk tutarlı matematiksel formülasyonunu yayınladı . ^[20] Bir yıl önce, Louis de Broglie de Broglie hipotezini önermişti : tüm parçacıkların bir dereceye kadar dalga gibi davrandığı ^[25] ve 1926'da Erwin Schrödinger , atomun matematiksel bir modeli olan Schrödinger denklemini geliştirmek için bu fikri kullandı. (dalga mekaniği) elektronları nokta parçacıklar yerine üç boyutlu dalga biçimleri olarak tanımladı . ^[26]

A consequence of using waveforms to describe particles is that it is mathematically impossible to obtain precise values for both the position and momentum of a particle at a given point in time; this became known as the uncertainty principle, formulated by Werner Heisenberg in 1927.^[20] In this concept, for a given accuracy in measuring a position one could only obtain a range of probable values for momentum, and vice versa.^[27]This model was able to explain observations of atomic behavior that previous models could not, such as certain structural and spectralhidrojenden daha büyük atom kalıpları. Böylece, atomun gezegensel modeli, belirli bir elektronun büyük olasılıkla gözlemleneceği çekirdek çevresindeki atomik yörünge bölgelerini tanımlayan bir model lehine atıldı . ^{[28] [29]}

Nötronun keşfi

Kütle spektrometresinin geliştirilmesi, atom kütlesinin artan doğrulukla ölçülmesine izin verdi. Cihaz, bir iyon demetinin yörüngesini bükmek için bir mıknatıs kullanır ve sapma miktarı, bir atomun kütlesinin yüküne oranıyla belirlenir. Kimyager Francis William Aston , izotopların farklı kütlelere sahip olduğunu göstermek için bu aleti kullandı. Atomik kütle olarak adlandırılan tam sayı miktarı ile değiştirilebilir, bu izotopların, tam sayı kuralı . ^[30] Bu farklı izotopların açıklaması , fizikçi James Chadwick tarafından protona benzer bir kütleye sahip yüksüz bir parçacık olan nötronun keşfini bekliyordu.İzotoplar daha sonra aynı sayıda protona sahip, ancak çekirdekte farklı sayıda nötron bulunan elementler olarak açıklandı. ^[31]

Bölünme, yüksek enerji fiziği ve yoğunlaştırılmış madde

1938'de Rutherford'un öğrencisi Alman kimyager Otto Hahn , nötronları uranyum ötesi elementler elde etmeyi bekleyen uranyum atomlarına yönlendirdi . Bunun yerine, kimyasal deneyleri bir ürün olarak baryumu gösterdi . ^{[32] [33]} Bir yıl sonra, Lise Meitner ve yeğeni Otto Frisch , Hahn'ın sonucunun ilk deneysel nükleer fisyon olduğunu doğruladılar . ^{[34] [35]} 1944'te Hahn, Nobel Kimya Ödülü'nü aldı . Hahn'ın çabalarına rağmen Meitner ve Frisch'in katkıları kabul edilmedi. ^[36]

1950'lerde, geliştirilmiş parçacık hızlandırıcıların ve parçacık dedektörlerinin geliştirilmesi, bilim insanlarının yüksek enerjilerde hareket eden atomların etkilerini incelemelerine izin verdi. ^[37] Nötronların ve protonların hadronlar veya kuarklar adı verilen daha küçük parçacıklardan oluşan bileşikler olduğu bulundu . Parçacık fiziğinin standart modeli bugüne kadar başarıyla bu atom altı parçacıklar ve bunların etkileşimleri yöneten güçlerin açısından çekirdeğinin özelliklerini anlattıktan sonra geliştirildi. ^[38]

Yapısı

Atomaltı parçacıklar

Atom kelimesi başlangıçta daha küçük parçacıklara bölünemeyen bir parçacığı ifade etse de , modern bilimsel kullanımda atom çeşitli atom altı parçacıklardan oluşur . Bir atomun kurucu parçacıkları elektron , proton ve nötrondur .

Elektron, bu parçacıkların en az kütlesidir. 9.11 × 10 ⁻³¹  kg , negatif elektrik yükü ve mevcut teknikler kullanılarak ölçülemeyecek kadar küçük boyutta. ^[39] Nötrino kütlesinin keşfine kadar ölçülen pozitif durgun kütleye sahip en hafif parçacıktı . Olağan koşullar altında, elektronlar, zıt elektrik yüklerinin yarattığı çekimle pozitif yüklü çekirdeğe bağlanır. Bir atom, atom numarasından daha fazla veya daha az elektrona sahipse, o zaman bir bütün olarak sırasıyla negatif veya pozitif yüklü hale gelir; yüklü bir atom iyon olarak adlandırılır . Elektronlar, çoğunlukla JJ Thomson sayesinde 19. yüzyılın sonlarından beri bilinmektedir ; görmekayrıntılar için atom altı fiziğinin tarihi .

Protonlar, pozitif bir yüke ve elektronunkinin 1.836 katı bir kütleye sahiptir. 1,6726 × 10 ⁻²⁷  kg . Bir atomdaki proton sayısına atom numarası denir . Ernest Rutherford (1919), alfa parçacık bombardımanı altındaki nitrojenin, hidrojen çekirdeği gibi görünen şeyleri fırlattığını gözlemledi. 1920'de hidrojen çekirdeğinin atom içinde ayrı bir parçacık olduğunu kabul etmiş ve ona proton adını vermişti .

Nötronların elektrik yükü yoktur ve elektron kütlesinin 1.839 katı serbest kütleye sahiptir veya 1,6749 × 10 ⁻²⁷  kg . ^{[40] [41]} Nötronlar, üç kurucu parçacığın en ağır olanıdır, ancak kütleleri nükleer bağlanma enerjisi ile azaltılabilir . Nötronlar ve protonlar (topluca nükleon olarak bilinir ) benzer boyutlara sahiptir.2,5 × 10 ⁻¹⁵  m - bu parçacıkların 'yüzeyi' keskin bir şekilde tanımlanmamış olsa da. ^[42] Nötron, 1932'de İngiliz fizikçi James Chadwick tarafından keşfedildi .

In the Standard Model of physics, electrons are truly elementary particles with no internal structure, whereas protons and neutrons are composite particles composed of elementary particles called quarks. There are two types of quarks in atoms, each having a fractional electric charge. Protons are composed of two up quarks (each with charge +2/3) and one down quark (with a charge of −1/3). Neutrons consist of one up quark and two down quarks. This distinction accounts for the difference in mass and charge between the two particles.^[43][44]

Kuarklar, gluonların aracılık ettiği güçlü etkileşim (veya güçlü kuvvet) tarafından bir arada tutulur . Protonlar ve nötronlar, sırasıyla, biraz farklı menzil özelliklerine sahip olan güçlü kuvvetin kalıntısı olan nükleer kuvvet tarafından çekirdekte birbirlerine tutulurlar (daha fazlası için nükleer kuvvet hakkındaki makaleye bakın). Gluon, fiziksel güçlere aracılık eden temel parçacıklar olan ayar bozonları ailesinin bir üyesidir . ^{[43] [44]}

Çekirdek

Bir atomdaki tüm bağlı protonlar ve nötronlar küçük bir atom çekirdeği oluşturur ve topluca nükleon olarak adlandırılır . Bir çekirdeğin yarıçapı yaklaşık olarak femtometreye eşittir , burada toplam nükleon sayısıdır. ^[45] Bu, 10 mertebesindedir atomunun yarıçapı, çok daha küçük olan ⁵  fm. Nükleonlar, artık güçlü kuvvet adı verilen kısa menzilli çekici bir potansiyel ile birbirine bağlanır . 2,5 fm'den daha küçük mesafelerde bu kuvvet, pozitif yüklü protonların birbirini itmesine neden olan elektrostatik kuvvetten çok daha güçlüdür . ^[46]${\displaystyle 1.07{\sqrt[{3}]{A}}}$ ${\displaystyle A}$

Aynı elementin atomları , atom numarası olarak adlandırılan aynı sayıda protona sahiptir . Tek bir element içinde nötron sayısı değişebilir ve bu elementin izotopunu belirler . Toplam proton ve nötron sayısı çekirdek parçasını belirler . Protonlara göre nötron sayısı, radyoaktif bozunmaya uğrayan bazı izotoplarla çekirdeğin kararlılığını belirler . ^[47]

Proton, elektron ve nötron, fermiyonlar olarak sınıflandırılır . Fermiyonlar , çoklu protonlar gibi özdeş fermiyonların aynı anda aynı kuantum halini işgal etmesini yasaklayan Pauli dışlama ilkesine uyar. Bu nedenle, çekirdekteki her proton, diğer tüm protonlardan farklı bir kuantum halini işgal etmelidir ve aynısı, çekirdeğin tüm nötronları ve elektron bulutunun tüm elektronları için geçerlidir. ^[48]

Nötronlardan farklı sayıda protona sahip bir çekirdek, proton ve nötron sayısının daha yakından eşleşmesine neden olan bir radyoaktif bozunma yoluyla potansiyel olarak daha düşük bir enerji durumuna düşebilir. Sonuç olarak, eşleşen sayıda proton ve nötron içeren atomlar bozunmaya karşı daha kararlıdır, ancak artan atom sayısı ile protonların karşılıklı itilmesi, çekirdeğin kararlılığını korumak için artan oranda nötron gerektirir. ^[48]

Atom çekirdeğindeki proton ve nötron sayısı değiştirilebilir, ancak bu, güçlü kuvvet nedeniyle çok yüksek enerjiler gerektirebilir. Nükleer füzyon , birden fazla atomik parçacık, iki çekirdeğin enerjik çarpışması gibi, daha ağır bir çekirdek oluşturmak için birleştiğinde meydana gelir. Örneğin, Güneş'in merkezinde protonlar, karşılıklı itilmelerini - coulomb engelini - aşmak ve tek bir çekirdek halinde kaynaşmak için 3 ila 10 keV enerjiye ihtiyaç duyar . ^[49] Nükleer fisyontam tersi bir süreçtir ve çekirdeğin iki küçük çekirdeğe bölünmesine neden olur - genellikle radyoaktif bozunma yoluyla. Çekirdek, yüksek enerjili atom altı parçacıklar veya fotonlar tarafından bombardıman yoluyla da değiştirilebilir. Bu, bir çekirdekteki proton sayısını değiştirirse, atom farklı bir kimyasal elemente dönüşür. ^{[50] [51]}

If the mass of the nucleus following a fusion reaction is less than the sum of the masses of the separate particles, then the difference between these two values can be emitted as a type of usable energy (such as a gamma ray, or the kinetic energy of a beta particle), as described by Albert Einstein's mass-energy equivalence formula, ${\displaystyle E=mc^{2}}$, where ${\displaystyle m}$ is the mass loss and ${\displaystyle c}$ is the speed of light. This deficit is part of the binding energy of the new nucleus, and it is the non-recoverable loss of the energy that causes the fused particles to remain together in a state that requires this energy to separate.^[52]

Demir ve nikelden daha düşük atom numaralarına sahip daha büyük çekirdekler oluşturan iki çekirdeğin füzyonu ( toplam nükleon sayısı yaklaşık 60'tır) genellikle onları bir araya getirmek için gerekenden daha fazla enerji açığa çıkaran ekzotermik bir süreçtir . ^[53] Bu nükleer füzyon yapan bu enerji salan bir süreçtir yıldızlı kendi kendini idame ettiren bir tepki. Daha ağır çekirdekler için çekirdekteki nükleon başına bağlanma enerjisi azalmaya başlar. Bu, atom numaraları yaklaşık 26'dan yüksek ve atomik kütleleri yaklaşık 60'tan yüksek çekirdek üreten füzyon süreçlerinin endotermik bir süreç olduğu anlamına gelir.. Bu daha büyük çekirdekler , bir yıldızın hidrostatik dengesini sürdürebilen enerji üreten bir füzyon reaksiyonuna giremez . ^[48]

Elektron bulutu

Bir atomdaki elektronlar, elektromanyetik kuvvet tarafından çekirdekteki protonlara çekilir . Bu kuvvet, elektronları daha küçük çekirdeği çevreleyen elektrostatik bir potansiyel kuyusu içinde bağlar , bu da elektronun kaçması için harici bir enerji kaynağına ihtiyaç olduğu anlamına gelir. Bir elektron çekirdeğe ne kadar yakınsa, çekici kuvvet o kadar büyük olur. Bu nedenle, potansiyel kuyunun merkezine yakın bağlanan elektronlar, kaçmak için daha büyük ayrımlarda olanlardan daha fazla enerjiye ihtiyaç duyar.

Diğer parçacıklar gibi elektronlar da hem parçacık hem de dalga özelliklerine sahiptir . Elektron bulutu, potansiyel kuyunun içinde, her elektronun bir tür üç boyutlu duran dalga oluşturduğu bir bölgedir - çekirdeğe göre hareket etmeyen bir dalga formu. Bu davranış, bir elektronun konumu ölçüldüğünde belirli bir konumda görünme olasılığını karakterize eden matematiksel bir işlev olan atomik bir yörünge ile tanımlanır . ^[54] Bu yörüngelerin yalnızca ayrık (veya nicelleştirilmiş ) bir kümesi çekirdek etrafında bulunur, çünkü diğer olası dalga modelleri hızla daha kararlı bir forma dönüşür. ^[55]Orbitaller bir veya daha fazla halka veya düğüm yapısına sahip olabilir ve boyut, şekil ve yön açısından birbirinden farklı olabilir. ^[56]

Her atomik yörünge , elektronun belirli bir enerji seviyesine karşılık gelir . Elektron , yeni kuantum durumuna yükseltmek için yeterli enerjiye sahip bir fotonu emerek durumunu daha yüksek bir enerji seviyesine değiştirebilir . Benzer şekilde, kendiliğinden emisyon yoluyla , daha yüksek enerji durumundaki bir elektron, fazla enerjiyi bir foton olarak yayarken daha düşük bir enerji durumuna düşebilir. Kuantum hallerinin enerjilerindeki farklılıklarla tanımlanan bu karakteristik enerji değerleri, atomik spektral çizgilerden sorumludur . ^[55]

The amount of energy needed to remove or add an electron—the electron binding energy—is far less than the binding energy of nucleons. For example, it requires only 13.6 eV to strip a ground-state electron from a hydrogen atom,^[57] compared to 2.23 million eV for splitting a deuterium nucleus.^[58] Atoms are electrically neutral if they have an equal number of protons and electrons. Atoms that have either a deficit or a surplus of electrons are called ions. Electrons that are farthest from the nucleus may be transferred to other nearby atoms or shared between atoms. By this mechanism, atoms are able to bond into molecules and other types of chemical compounds like ionic and covalent network crystals.^[59]

Properties

Nuclear properties

Tanımı gereği, çekirdeklerinde aynı sayıda proton bulunan herhangi iki atom aynı kimyasal elemente aittir . Eşit sayıda protona sahip ancak farklı sayıda nötron içeren atomlar , aynı elementin farklı izotoplarıdır. Örneğin, tüm hidrojen atomları tam olarak bir protonu kabul eder, ancak izotoplar nötronlar ( hidrojen-1 , açık ara en yaygın biçim, ^[60] protium olarak da adlandırılır), bir nötron ( döteryum ), iki nötron ( trityum ) ve daha fazlası olmadan mevcuttur. ikiden fazla nötron . Bilinen elementler, tek proton element hidrojenden 118 proton element oganesson'a kadar bir dizi atom numarası oluşturur.. ^[61] 82'den büyük atom numaralarına sahip elementlerin bilinen tüm izotopları radyoaktiftir, ancak 83 elementinin ( bizmut ) radyoaktivitesi pratik olarak ihmal edilebilir kadar azdır. ^{[62] [63]}

Dünyada yaklaşık 339 çekirdek doğal olarak meydana gelir , ^[64] bunların 252'sinin (yaklaşık% 74) bozulduğu gözlenmemiştir ve " kararlı izotoplar " olarak adlandırılır . Teorik olarak sadece 90 çekirdek kararlıdır , diğerinin 162'sinin (toplamı 252'ye getirir), teoride enerjisel olarak mümkün olmasına rağmen, bozulduğu gözlemlenmemiştir. Bunlar ayrıca resmi olarak "kararlı" olarak sınıflandırılır. Ek 34 radyoaktif çekirdek 100 milyon yıldan daha uzun yarı ömre sahiptir ve güneş sisteminin doğuşundan beri var olacak kadar uzun ömürlüdür . 286 çekirdekten oluşan bu koleksiyon, ilkel çekirdekler olarak bilinir.. Finally, an additional 53 short-lived nuclides are known to occur naturally, as daughter products of primordial nuclide decay (such as radium from uranium), or as products of natural energetic processes on Earth, such as cosmic ray bombardment (for example, carbon-14).^{[65][note 1]}

Kimyasal elementlerin 80'i için en az bir kararlı izotop mevcuttur. Kural olarak, bu elementlerin her biri için yalnızca bir avuç kararlı izotop vardır, ortalama, element başına 3,2 kararlı izotoptur. Yirmi altı elementin sadece tek bir kararlı izotopu bulunurken, herhangi bir element için gözlemlenen en büyük kararlı izotop sayısı, kalay elementi için ondur . Elemanlar 43 , 61 , ve tüm öğeler sayılı 83 ya da daha yüksek bir sabit izotopu vardır. ^{[66] : 1–12}

İzotopların kararlılığı, protonların nötronlara oranından ve ayrıca kapalı ve dolu kuantum kabuklarını temsil eden nötronların veya protonların belirli "sihirli sayılarının" varlığından etkilenir. Bu kuantum kabukları , çekirdeğin kabuk modelindeki bir dizi enerji düzeyine karşılık gelir ; Kalay için 50 protonluk doldurulmuş kabuk gibi doldurulmuş kabuklar, çekirdek üzerinde olağandışı stabilite sağlar. Bilinen 252 kararlı çekirdekten sadece dördünde hem tek sayıda proton hem de tek sayıda nötron vardır: hidrojen-2 ( döteryum ), lityum-6 , bor-10 ve nitrojen-14. Ayrıca, yalnızca dört doğal olarak oluşan, radyoaktif garip-garip çekirdeklerin bir milyar yıldan fazla bir yarılanma ömrü vardır: potasyum-40 , vanadyum-50 , lantan-138 ve tantal-180m . Çoğu garip-garip çekirdek, beta bozunması açısından oldukça kararsızdır , çünkü bozunma ürünleri çift-çifttir ve bu nedenle nükleer eşleşme etkileri nedeniyle daha güçlü bir şekilde bağlanırlar . ^[67]

kitle

Bir atomun kütlesinin büyük çoğunluğu onu oluşturan protonlardan ve nötronlardan gelir. Belirli bir atomdaki bu parçacıkların toplam sayısına ("nükleonlar" denir) kütle numarası denir . Pozitif bir tam sayıdır ve boyutsuzdur (kütle boyutuna sahip olmak yerine), çünkü bir sayımı ifade eder. Kütle numarasının kullanımına bir örnek, 12 nükleona (altı proton ve altı nötron) sahip "karbon-12" dir.

Durgun haldeki bir atomun gerçek kütlesi , genellikle birleşik atomik kütle birimi (u) olarak da adlandırılan dalton (Da) cinsinden ifade edilir . Bu birim, bir serbest nötr atomu kütlesinin bir on ikinci olarak tanımlanır ve karbon-12 yaklaşık,1.66×10⁻²⁷ kg.^[68] Hydrogen-1 (the lightest isotope of hydrogen which is also the nuclide with the lowest mass) has an atomic weight of 1.007825 Da.^[69] The value of this number is called the atomic mass. A given atom has an atomic mass approximately equal (within 1%) to its mass number times the atomic mass unit (for example the mass of a nitrogen-14 is roughly 14 Da), but this number will not be exactly an integer except (by definition) in the case of carbon-12.^[70] The heaviest stable atom is lead-208,^[62] with a mass of 207.9766521 Da.^[71]

As even the most massive atoms are far too light to work with directly, chemists instead use the unit of moles. One mole of atoms of any element always has the same number of atoms (about 6.022×1023). This number was chosen so that if an element has an atomic mass of 1 u, a mole of atoms of that element has a mass close to one gram. Because of the definition of the unified atomic mass unit, each carbon-12 atom has an atomic mass of exactly 12 Da, and so a mole of carbon-12 atoms weighs exactly 0.012 kg.^[68]

Shape and size

Atoms lack a well-defined outer boundary, so their dimensions are usually described in terms of an atomic radius. This is a measure of the distance out to which the electron cloud extends from the nucleus.^[72] This assumes the atom to exhibit a spherical shape, which is only obeyed for atoms in vacuum or free space. Atomic radii may be derived from the distances between two nuclei when the two atoms are joined in a chemical bond. The radius varies with the location of an atom on the atomic chart, the type of chemical bond, the number of neighboring atoms (coordination number) and a quantum mechanical property known as spin.^[73] On the periodic table of the elements, atom size tends to increase when moving down columns, but decrease when moving across rows (left to right).^[74] Consequently, the smallest atom is helium with a radius of 32 pm, while one of the largest is caesium at 225 pm.^[75]

When subjected to external forces, like electrical fields, the shape of an atom may deviate from spherical symmetry. The deformation depends on the field magnitude and the orbital type of outer shell electrons, as shown by group-theoretical considerations. Aspherical deviations might be elicited for instance in crystals, where large crystal-electrical fields may occur at low-symmetry lattice sites.^[76][77] Significant ellipsoidal deformations have been shown to occur for sulfur ions^[78] and chalcogen ions^[79] in pyrite-type compounds.

Atomic dimensions are thousands of times smaller than the wavelengths of light (400–700 nm) so they cannot be viewed using an optical microscope, although individual atoms can be observed using a scanning tunneling microscope. To visualize the minuteness of the atom, consider that a typical human hair is about 1 million carbon atoms in width.^[80] A single drop of water contains about 2 sextillion (2×10²¹) atoms of oxygen, and twice the number of hydrogen atoms.^[81] A single carat diamond with a mass of 2×10⁻⁴ kg contains about 10 sextillion (10²²) atoms of carbon.^{[note 2]} If an apple were magnified to the size of the Earth, then the atoms in the apple would be approximately the size of the original apple.^[82]

Radioactive decay

Every element has one or more isotopes that have unstable nuclei that are subject to radioactive decay, causing the nucleus to emit particles or electromagnetic radiation. Radioactivity can occur when the radius of a nucleus is large compared with the radius of the strong force, which only acts over distances on the order of 1 fm.^[83]

The most common forms of radioactive decay are:^[84][85]

• Alpha decay: this process is caused when the nucleus emits an alpha particle, which is a helium nucleus consisting of two protons and two neutrons. The result of the emission is a new element with a lower atomic number.
• Beta decay (and electron capture): these processes are regulated by the weak force, and result from a transformation of a neutron into a proton, or a proton into a neutron. The neutron to proton transition is accompanied by the emission of an electron and an antineutrino, while proton to neutron transition (except in electron capture) causes the emission of a positron and a neutrino. The electron or positron emissions are called beta particles. Beta decay either increases or decreases the atomic number of the nucleus by one. Electron capture is more common than positron emission, because it requires less energy. In this type of decay, an electron is absorbed by the nucleus, rather than a positron emitted from the nucleus. A neutrino is still emitted in this process, and a proton changes to a neutron.
• Gamma decay: this process results from a change in the energy level of the nucleus to a lower state, resulting in the emission of electromagnetic radiation. The excited state of a nucleus which results in gamma emission usually occurs following the emission of an alpha or a beta particle. Thus, gamma decay usually follows alpha or beta decay.

Other more rare types of radioactive decay include ejection of neutrons or protons or clusters of nucleons from a nucleus, or more than one beta particle. An analog of gamma emission which allows excited nuclei to lose energy in a different way, is internal conversion—a process that produces high-speed electrons that are not beta rays, followed by production of high-energy photons that are not gamma rays. A few large nuclei explode into two or more charged fragments of varying masses plus several neutrons, in a decay called spontaneous nuclear fission.

Each radioactive isotope has a characteristic decay time period—the half-life—that is determined by the amount of time needed for half of a sample to decay. This is an exponential decay process that steadily decreases the proportion of the remaining isotope by 50% every half-life. Hence after two half-lives have passed only 25% of the isotope is present, and so forth.^[83]

Magnetic moment

Elementary particles possess an intrinsic quantum mechanical property known as spin. This is analogous to the angular momentum of an object that is spinning around its center of mass, although strictly speaking these particles are believed to be point-like and cannot be said to be rotating. Spin is measured in units of the reduced Planck constant (ħ), with electrons, protons and neutrons all having spin ½ ħ, or "spin-½". In an atom, electrons in motion around the nucleus possess orbital angular momentum in addition to their spin, while the nucleus itself possesses angular momentum due to its nuclear spin.^[86]

The magnetic field produced by an atom—its magnetic moment—is determined by these various forms of angular momentum, just as a rotating charged object classically produces a magnetic field, but the most dominant contribution comes from electron spin. Due to the nature of electrons to obey the Pauli exclusion principle, in which no two electrons may be found in the same quantum state, bound electrons pair up with each other, with one member of each pair in a spin up state and the other in the opposite, spin down state. Thus these spins cancel each other out, reducing the total magnetic dipole moment to zero in some atoms with even number of electrons.^[87]

In ferromagnetic elements such as iron, cobalt and nickel, an odd number of electrons leads to an unpaired electron and a net overall magnetic moment. The orbitals of neighboring atoms overlap and a lower energy state is achieved when the spins of unpaired electrons are aligned with each other, a spontaneous process known as an exchange interaction. When the magnetic moments of ferromagnetic atoms are lined up, the material can produce a measurable macroscopic field. Paramagnetic materials have atoms with magnetic moments that line up in random directions when no magnetic field is present, but the magnetic moments of the individual atoms line up in the presence of a field.^[87][88]

The nucleus of an atom will have no spin when it has even numbers of both neutrons and protons, but for other cases of odd numbers, the nucleus may have a spin. Normally nuclei with spin are aligned in random directions because of thermal equilibrium, but for certain elements (such as xenon-129) it is possible to polarize a significant proportion of the nuclear spin states so that they are aligned in the same direction—a condition called hyperpolarization. This has important applications in magnetic resonance imaging.^[89][90]

Energy levels

The potential energy of an electron in an atom is negative relative to when the distance from the nucleus goes to infinity; its dependence on the electron's position reaches the minimum inside the nucleus, roughly in inverse proportion to the distance. In the quantum-mechanical model, a bound electron can occupy only a set of states centered on the nucleus, and each state corresponds to a specific energy level; see time-independent Schrödinger equation for a theoretical explanation. An energy level can be measured by the amount of energy needed to unbind the electron from the atom, and is usually given in units of electronvolts (eV). The lowest energy state of a bound electron is called the ground state, i.e. stationary state, while an electron transition to a higher level results in an excited state.^[91] The electron's energy increases along with n because the (average) distance to the nucleus increases. Dependence of the energy on ℓ is caused not by the electrostatic potential of the nucleus, but by interaction between electrons.

For an electron to transition between two different states, e.g. ground state to first excited state, it must absorb or emit a photon at an energy matching the difference in the potential energy of those levels, according to the Niels Bohr model, what can be precisely calculated by the Schrödinger equation. Electrons jump between orbitals in a particle-like fashion. For example, if a single photon strikes the electrons, only a single electron changes states in response to the photon; see Electron properties.

The energy of an emitted photon is proportional to its frequency, so these specific energy levels appear as distinct bands in the electromagnetic spectrum.^[92] Each element has a characteristic spectrum that can depend on the nuclear charge, subshells filled by electrons, the electromagnetic interactions between the electrons and other factors.^[93]

When a continuous spectrum of energy is passed through a gas or plasma, some of the photons are absorbed by atoms, causing electrons to change their energy level. Those excited electrons that remain bound to their atom spontaneously emit this energy as a photon, traveling in a random direction, and so drop back to lower energy levels. Thus the atoms behave like a filter that forms a series of dark absorption bands in the energy output. (An observer viewing the atoms from a view that does not include the continuous spectrum in the background, instead sees a series of emission lines from the photons emitted by the atoms.) Spectroscopic measurements of the strength and width of atomic spectral lines allow the composition and physical properties of a substance to be determined.^[94]

Close examination of the spectral lines reveals that some display a fine structure splitting. This occurs because of spin-orbit coupling, which is an interaction between the spin and motion of the outermost electron.^[95] When an atom is in an external magnetic field, spectral lines become split into three or more components; a phenomenon called the Zeeman effect. This is caused by the interaction of the magnetic field with the magnetic moment of the atom and its electrons. Some atoms can have multiple electron configurations with the same energy level, which thus appear as a single spectral line. The interaction of the magnetic field with the atom shifts these electron configurations to slightly different energy levels, resulting in multiple spectral lines.^[96] The presence of an external electric field can cause a comparable splitting and shifting of spectral lines by modifying the electron energy levels, a phenomenon called the Stark effect.^[97]

If a bound electron is in an excited state, an interacting photon with the proper energy can cause stimulated emission of a photon with a matching energy level. For this to occur, the electron must drop to a lower energy state that has an energy difference matching the energy of the interacting photon. The emitted photon and the interacting photon then move off in parallel and with matching phases. That is, the wave patterns of the two photons are synchronized. This physical property is used to make lasers, which can emit a coherent beam of light energy in a narrow frequency band.^[98]

Valence and bonding behavior

Valency is the combining power of an element. It is determined by the number of bonds it can form to other atoms or groups.^[99] The outermost electron shell of an atom in its uncombined state is known as the valence shell, and the electrons in that shell are called valence electrons. The number of valence electrons determines the bonding behavior with other atoms. Atoms tend to chemically react with each other in a manner that fills (or empties) their outer valence shells.^[100] For example, a transfer of a single electron between atoms is a useful approximation for bonds that form between atoms with one-electron more than a filled shell, and others that are one-electron short of a full shell, such as occurs in the compound sodium chloride and other chemical ionic salts. Many elements display multiple valences, or tendencies to share differing numbers of electrons in different compounds. Thus, chemical bonding between these elements takes many forms of electron-sharing that are more than simple electron transfers. Examples include the element carbon and the organic compounds.^[101]

The chemical elements are often displayed in a periodic table that is laid out to display recurring chemical properties, and elements with the same number of valence electrons form a group that is aligned in the same column of the table. (The horizontal rows correspond to the filling of a quantum shell of electrons.) The elements at the far right of the table have their outer shell completely filled with electrons, which results in chemically inert elements known as the noble gases.^[102][103]

States

Quantities of atoms are found in different states of matter that depend on the physical conditions, such as temperature and pressure. By varying the conditions, materials can transition between solids, liquids, gases and plasmas.^[104] Within a state, a material can also exist in different allotropes. An example of this is solid carbon, which can exist as graphite or diamond.^[105] Gaseous allotropes exist as well, such as dioxygen and ozone.

At temperatures close to absolute zero, atoms can form a Bose–Einstein condensate, at which point quantum mechanical effects, which are normally only observed at the atomic scale, become apparent on a macroscopic scale.^[106][107] This super-cooled collection of atoms then behaves as a single super atom, which may allow fundamental checks of quantum mechanical behavior.^[108]

Identification

While atoms are too small to be seen, devices such as the scanning tunneling microscope (STM) enable their visualization at the surfaces of solids. The microscope uses the quantum tunneling phenomenon, which allows particles to pass through a barrier that would be insurmountable in the classical perspective. Electrons tunnel through the vacuum between two biased electrodes, providing a tunneling current that is exponentially dependent on their separation. One electrode is a sharp tip ideally ending with a single atom. At each point of the scan of the surface the tip's height is adjusted so as to keep the tunneling current at a set value. How much the tip moves to and away from the surface is interpreted as the height profile. For low bias, the microscope images the averaged electron orbitals across closely packed energy levels—the local density of the electronic states near the Fermi level.^[109][110] Because of the distances involved, both electrodes need to be extremely stable; only then periodicities can be observed that correspond to individual atoms. The method alone is not chemically specific, and cannot identify the atomic species present at the surface.

Atoms can be easily identified by their mass. If an atom is ionized by removing one of its electrons, its trajectory when it passes through a magnetic field will bend. The radius by which the trajectory of a moving ion is turned by the magnetic field is determined by the mass of the atom. The mass spectrometer uses this principle to measure the mass-to-charge ratio of ions. If a sample contains multiple isotopes, the mass spectrometer can determine the proportion of each isotope in the sample by measuring the intensity of the different beams of ions. Techniques to vaporize atoms include inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy and inductively coupled plasma mass spectrometry, both of which use a plasma to vaporize samples for analysis.^[111]

The atom-probe tomograph has sub-nanometer resolution in 3-D and can chemically identify individual atoms using time-of-flight mass spectrometry.^[112]

Electron emission techniques such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Auger electron spectroscopy (AES), which measure the binding energies of the core electrons, are used to identify the atomic species present in a sample in a non-destructive way. With proper focusing both can be made area-specific. Another such method is electron energy loss spectroscopy (EELS), which measures the energy loss of an electron beam within a transmission electron microscope when it interacts with a portion of a sample.

Spectra of excited states can be used to analyze the atomic composition of distant stars. Specific light wavelengths contained in the observed light from stars can be separated out and related to the quantized transitions in free gas atoms. These colors can be replicated using a gas-discharge lamp containing the same element.^[113] Helium was discovered in this way in the spectrum of the Sun 23 years before it was found on Earth.^[114]

Origin and current state

Baryonic matter forms about 4% of the total energy density of the observable Universe, with an average density of about 0.25 particles/m³ (mostly protons and electrons).^[115] Within a galaxy such as the Milky Way, particles have a much higher concentration, with the density of matter in the interstellar medium (ISM) ranging from 10⁵ to 10⁹ atoms/m³.^[116] The Sun is believed to be inside the Local Bubble, so the density in the solar neighborhood is only about 10³ atoms/m³.^[117] Stars form from dense clouds in the ISM, and the evolutionary processes of stars result in the steady enrichment of the ISM with elements more massive than hydrogen and helium.

Up to 95% of the Milky Way's baryonic matter are concentrated inside stars, where conditions are unfavorable for atomic matter. The total baryonic mass is about 10% of the mass of the galaxy;^[118] the remainder of the mass is an unknown dark matter.^[119] High temperature inside stars makes most "atoms" fully ionized, that is, separates all electrons from the nuclei. In stellar remnants—with exception of their surface layers—an immense pressure make electron shells impossible.

Formation

Electrons are thought to exist in the Universe since early stages of the Big Bang. Atomic nuclei forms in nucleosynthesis reactions. In about three minutes Big Bang nucleosynthesis produced most of the helium, lithium, and deuterium in the Universe, and perhaps some of the beryllium and boron.^{[120][121][122]}

Ubiquitousness and stability of atoms relies on their binding energy, which means that an atom has a lower energy than an unbound system of the nucleus and electrons. Where the temperature is much higher than ionization potential, the matter exists in the form of plasma—a gas of positively charged ions (possibly, bare nuclei) and electrons. When the temperature drops below the ionization potential, atoms become statistically favorable. Atoms (complete with bound electrons) became to dominate over charged particles 380,000 years after the Big Bang—an epoch called recombination, when the expanding Universe cooled enough to allow electrons to become attached to nuclei.^[123]

Since the Big Bang, which produced no carbon or heavier elements, atomic nuclei have been combined in stars through the process of nuclear fusion to produce more of the element helium, and (via the triple alpha process) the sequence of elements from carbon up to iron;^[124] see stellar nucleosynthesis for details.

Isotopes such as lithium-6, as well as some beryllium and boron are generated in space through cosmic ray spallation.^[125] This occurs when a high-energy proton strikes an atomic nucleus, causing large numbers of nucleons to be ejected.

Elements heavier than iron were produced in supernovae and colliding neutron stars through the r-process, and in AGB stars through the s-process, both of which involve the capture of neutrons by atomic nuclei.^[126] Elements such as lead formed largely through the radioactive decay of heavier elements.^[127]

Earth

Most of the atoms that make up the Earth and its inhabitants were present in their current form in the nebula that collapsed out of a molecular cloud to form the Solar System. The rest are the result of radioactive decay, and their relative proportion can be used to determine the age of the Earth through radiometric dating.^[128][129] Most of the helium in the crust of the Earth (about 99% of the helium from gas wells, as shown by its lower abundance of helium-3) is a product of alpha decay.^[130]

There are a few trace atoms on Earth that were not present at the beginning (i.e., not "primordial"), nor are results of radioactive decay. Carbon-14 is continuously generated by cosmic rays in the atmosphere.^[131] Some atoms on Earth have been artificially generated either deliberately or as by-products of nuclear reactors or explosions.^[132][133] Of the transuranic elements—those with atomic numbers greater than 92—only plutonium and neptunium occur naturally on Earth.^[134][135] Transuranic elements have radioactive lifetimes shorter than the current age of the Earth^[136] and thus identifiable quantities of these elements have long since decayed, with the exception of traces of plutonium-244 possibly deposited by cosmic dust.^[128] Natural deposits of plutonium and neptunium are produced by neutron capture in uranium ore.^[137]

The Earth contains approximately 1.33×10⁵⁰ atoms.^[138] Although small numbers of independent atoms of noble gases exist, such as argon, neon, and helium, 99% of the atmosphere is bound in the form of molecules, including carbon dioxide and diatomic oxygen and nitrogen. At the surface of the Earth, an overwhelming majority of atoms combine to form various compounds, including water, salt, silicates and oxides. Atoms can also combine to create materials that do not consist of discrete molecules, including crystals and liquid or solid metals.^[139][140] This atomic matter forms networked arrangements that lack the particular type of small-scale interrupted order associated with molecular matter.^[141]

Rare and theoretical forms

Superheavy elements

All nuclides with atomic numbers higher than 82 (lead) are known to be radioactive. No nuclide with an atomic number exceeding 92 (uranium) exists on Earth as a primordial nuclide, and heavier elements generally have shorter half-lives. Nevertheless, an "island of stability" encompassing relatively long-lived isotopes of superheavy elements^[142] with atomic numbers 110 to 114 might exist.^[143] Predictions for the half-life of the most stable nuclide on the island range from a few minutes to millions of years.^[144] In any case, superheavy elements (with Z > 104) would not exist due to increasing Coulomb repulsion (which results in spontaneous fission with increasingly short half-lives) in the absence of any stabilizing effects.^[145]

Exotic matter

Each particle of matter has a corresponding antimatter particle with the opposite electrical charge. Thus, the positron is a positively charged antielectron and the antiproton is a negatively charged equivalent of a proton. When a matter and corresponding antimatter particle meet, they annihilate each other. Because of this, along with an imbalance between the number of matter and antimatter particles, the latter are rare in the universe. The first causes of this imbalance are not yet fully understood, although theories of baryogenesis may offer an explanation. As a result, no antimatter atoms have been discovered in nature.^[146][147] In 1996 the antimatter counterpart of the hydrogen atom (antihydrogen) was synthesized at the CERN laboratory in Geneva.^[148][149]

Other exotic atoms have been created by replacing one of the protons, neutrons or electrons with other particles that have the same charge. For example, an electron can be replaced by a more massive muon, forming a muonic atom. These types of atoms can be used to test fundamental predictions of physics.^{[150][151][152]}

See also

Notes

References

Bibliography

• Oliver Manuel (2001). Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations. Springer. ISBN 978-0-306-46562-8. OCLC 228374906.
• Andrew G. van Melsen (2004) [1952]. From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom. Translated by Henry J. Koren. Dover Publications. ISBN 0-486-49584-1.
• J.P. Millington (1906). John Dalton. J. M. Dent & Co. (London); E. P. Dutton & Co. (New York).
• Charles H. Holbrow; James N. Lloyd; Joseph C. Amato; Enrique Galvez; M. Elizabeth Parks (2010). Modern Introductory Physics. Springer Science & Business Media. ISBN 9780387790794.
• John Dalton (1808). A New System of Chemical Philosophy vol. 1.
• John Dalton (1817). A New System of Chemical Philosophy vol. 2.
• John L. Heilbron (2003). Ernest Rutherford and the Explosion of Atoms. Oxford University Press. ISBN 0-19-512378-6.
• Jaume Navarro (2012). A History of the Electron: J. J. and G. P. Thomson. Cambridge University Press. ISBN 9781107005228.

Further reading

External links

• Sharp, Tim (8 August 2017). "What is an Atom?". Live Science.
• "Hitchhikers Guide to the Universe, Atoms and Atomic Structure". h2g2. BBC. 3 January 2006.