อะตอม

อะตอม
ภาพประกอบอะตอมของฮีเลียมแสดงให้เห็นนิวเคลียส (สีชมพู) และ การกระจาย ตัวของกลุ่มอิเล็กตรอน (สีดำ) นิวเคลียส (ด้านบนขวา) ในฮีเลียม-4 มีลักษณะสมมาตรทรงกลมและมีลักษณะคล้ายกับกลุ่มอิเล็กตรอนมาก แม้ว่านิวเคลียสที่ซับซ้อนกว่านี้อาจไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป แถบสีดำคือหนึ่งอังสตรอม (10 −10  ม . หรือ22.00  น. ).
การจำแนกประเภท
การแบ่งส่วนธาตุทางเคมีที่เล็กที่สุดที่ได้รับการยอมรับ
คุณสมบัติ
ช่วงมวล	1.67 × 10 −27ถึง4.52 × 10 −25  กก.
ประจุไฟฟ้า	ศูนย์ (เป็นกลาง) หรือประจุไอออน
ช่วงเส้นผ่านศูนย์กลาง	62 น. ( เขา ) ถึง 520 น. ( Cs ) ( หน้าข้อมูล )
ส่วนประกอบ	อิเล็กตรอนและนิวเคลียส ที่อัดแน่น ของโปรตอนและนิวตรอน

อะตอมเป็นอนุภาคพื้นฐานของธาตุเคมีอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสของโปรตอนและโดยทั่วไปคือนิวตรอนล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน ที่มีพันธะแม่เหล็กไฟฟ้า ธาตุเคมีจะแตกต่างกันตามจำนวนโปรตอนในอะตอม ตัวอย่างเช่น อะตอมที่มีโปรตอน 11 ตัวเรียกว่าโซเดียมและอะตอมที่มีโปรตอน 29 ตัวเรียกว่าทองแดงอะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันเรียกว่าไอโซโทปของธาตุเดียวกัน

อะตอมมีขนาดเล็กมาก โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100  พิโคเมตรเส้นผมของมนุษย์มีความกว้างประมาณหนึ่งล้านอะตอมคาร์บอน อะตอมมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นที่สั้นที่สุดของแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งหมายความว่ามนุษย์ไม่สามารถมองเห็นอะตอมด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบธรรมดาได้ อะตอมมีขนาดเล็กมากจนไม่สามารถทำนายพฤติกรรมของอะตอมได้อย่างแม่นยำโดยใช้ฟิสิกส์คลาสสิกเนื่องจากผลกระทบของควอนตัม

มากกว่า 99.94% ของมวลอะตอมอยู่ในนิวเคลียส โปรตอนมีประจุไฟฟ้า บวก และนิวตรอนไม่มีประจุ ดังนั้นนิวเคลียสจึงมีประจุบวก อิเล็กตรอนมีประจุลบ และประจุตรงข้ามนี้คือสิ่งที่จับอิเล็กตรอนเข้ากับนิวเคลียส หากจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันตามปกติ อะตอมก็จะเป็นกลางทางไฟฟ้าโดยรวม หากอะตอมมีอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอน แสดงว่าอะตอมนั้นมีประจุลบโดยรวม และเรียกว่าไอออนลบ(หรือไอออนลบ) ในทางกลับกัน หากมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอน แสดงว่าอะตอมนั้นมีประจุบวก และเรียกว่าไอออนบวก (หรือไอออนบวก)

อิเล็กตรอนของอะตอมถูกดึงดูดเข้าหาโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสถูกดึงดูดเข้าหากันด้วยแรงนิวเคลียร์แรงนี้มักจะแรงกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผลักโปรตอนที่มีประจุบวกออกจากกัน ในบางสถานการณ์ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผลักกันจะแรงกว่าแรงนิวเคลียร์ ในกรณีนี้ นิวเคลียสจะแยกตัวและทิ้งธาตุต่างๆ ไว้นี่คือรูปแบบหนึ่งของ การสลายตัว ของ นิวเคลียส

อะตอมสามารถเกาะติดกับอะตอมอื่น ๆ หนึ่งอะตอมหรือมากกว่านั้นด้วยพันธะเคมีเพื่อสร้างสารประกอบเคมีเช่นโมเลกุลหรือผลึกความสามารถของอะตอมในการเกาะติดและแยกตัวออกจากกันเป็นสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพส่วนใหญ่ที่สังเกตได้ในธรรมชาติเคมีเป็นศาสตร์ที่ศึกษาการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้

แนวคิดพื้นฐานที่ว่าสสารประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่แยกไม่ออกนั้นเป็นแนวคิดเก่าแก่ที่ปรากฏในวัฒนธรรมโบราณหลายแห่ง คำว่าอะตอมมาจากคำภาษากรีกโบราณว่าatomos ^[a]ซึ่งแปลว่า "ไม่สามารถแบ่งแยกได้" แต่แนวคิดโบราณนี้มีพื้นฐานมาจากการใช้เหตุผลเชิงปรัชญามากกว่าการใช้เหตุผลทางวิทยาศาสตร์ ทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่ไม่ได้อิงตามแนวคิดเก่าแก่เหล่านี้^{[1] [2]}ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ชื่อจอห์น ดาลตัน (ค.ศ. 1766–1844) พบหลักฐานว่าสสารประกอบด้วยหน่วยที่แยกจากกันจริงๆ จึงนำคำว่าอะตอม มาใช้ กับหน่วยเหล่านั้น^[3]

ในช่วงต้นทศวรรษ 1800 จอห์น ดาลตันได้รวบรวมข้อมูลการทดลองที่รวบรวมโดยเขาและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ และค้นพบรูปแบบที่ปัจจุบันเรียกว่า " กฎของสัดส่วนหลายส่วน " เขาสังเกตเห็นว่าในกลุ่มสารประกอบเคมีใดๆ ก็ตามที่มีธาตุเคมีเฉพาะ 2 ชนิด ปริมาณธาตุ A ต่อหน่วยวัดธาตุ B จะแตกต่างกันไปตามสารประกอบเหล่านี้ตามอัตราส่วนของจำนวนเต็มเล็กๆ รูปแบบนี้แสดงให้เห็นว่าธาตุแต่ละชนิดจะรวมตัวกับธาตุอื่นๆ ในปริมาณทวีคูณของหน่วยน้ำหนักพื้นฐาน โดยแต่ละธาตุจะมีหน่วยน้ำหนักเฉพาะตัว ดาลตันตัดสินใจเรียกหน่วยเหล่านี้ว่า "อะตอม" ^[4]

ตัวอย่างเช่นดีบุกออกไซด์ มีอยู่ 2 ประเภท ประเภท หนึ่งเป็นผงสีเทาที่มีดีบุก 88.1% และออกซิเจน 11.9% และอีกประเภทหนึ่งเป็นผงสีขาวที่มีดีบุก 78.7% และออกซิเจน 21.3% เมื่อปรับตัวเลขเหล่านี้แล้ว ในผงสีเทาจะมีออกซิเจนประมาณ 13.5 กรัมต่อดีบุก 100 กรัม และในผงสีขาวจะมีออกซิเจนประมาณ 27 กรัมต่อดีบุก 100 กรัม 13.5 และ 27 จะสร้างอัตราส่วน 1:2 ดาลตันสรุปว่าในออกไซด์สีเทาจะมีอะตอมออกซิเจน 1 อะตอมต่ออะตอมดีบุก 1 อะตอม และในออกไซด์สีขาวจะมีอะตอมออกซิเจน 2 อะตอมต่ออะตอมดีบุก 1 อะตอม ( SnOและSnO2 ) ^{[5] [} ₆ ^]

นอกจากนี้ ดาลตันยังวิเคราะห์ออกไซด์ของเหล็กด้วย มีออกไซด์ของเหล็กชนิดหนึ่งซึ่งเป็นผงสีดำซึ่งประกอบด้วยเหล็ก 78.1% และออกซิเจน 21.9% และยังมีออกไซด์ของเหล็กอีกชนิดหนึ่งซึ่งเป็นผงสีแดงซึ่งประกอบด้วยเหล็ก 70.4% และออกซิเจน 29.6% เมื่อปรับตัวเลขเหล่านี้แล้ว ในผงสีดำจะมีออกซิเจนประมาณ 28 กรัมต่อเหล็ก 100 กรัม และในผงสีแดงจะมีออกซิเจนประมาณ 42 กรัมต่อเหล็ก 100 กรัม 28 และ 42 ก่อตัวเป็นอัตราส่วน 2:3 ดาลตันสรุปว่าในออกไซด์เหล่านี้ สำหรับเหล็ก 2 อะตอม จะมีอะตอมออกซิเจน 2 หรือ 3 อะตอมตามลำดับ ( Fe ₂ O ₂และFe ₂ O ₃ ) ^{[b] [7] [8]}

ตัวอย่างสุดท้าย: ไนตรัสออกไซด์ประกอบด้วยไนโตรเจน 63.3% และออกซิเจน 36.7% ไนตริกออกไซด์ประกอบด้วยไนโตรเจน 44.05% และออกซิเจน 55.95% และไนโตรเจนไดออกไซด์ประกอบด้วยไนโตรเจน 29.5% และออกซิเจน 70.5% เมื่อปรับตัวเลขเหล่านี้แล้ว ในไนตรัสออกไซด์จะมีออกซิเจน 80 กรัมต่อไนโตรเจน 140 กรัม ในไนตริกออกไซด์จะมีออกซิเจนประมาณ 160 กรัมต่อไนโตรเจน 140 กรัม และในไนโตรเจนไดออกไซด์จะมีออกซิเจน 320 กรัมต่อไนโตรเจน 140 กรัม 80, 160 และ 320 ก่อตัวเป็นอัตราส่วน 1:2:4 สูตรที่เกี่ยวข้องสำหรับออกไซด์เหล่านี้คือN ₂ O , NOและNO ₂ ^{[9] [10} ]

ในปี 1897 เจ เจ ทอมสันค้นพบว่ารังสีแคโทดไม่ใช่รูปแบบหนึ่งของแสง แต่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ เนื่องจากรังสีเหล่านี้สามารถเบี่ยงเบนได้โดยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก^{[11] เขาวัดได้ว่าอนุภาคเหล่านี้เบากว่า} ไฮโดรเจน (อะตอมที่เบาที่สุด) อย่างน้อยหนึ่งพันเท่า^[12]เขาเรียกอนุภาคใหม่เหล่านี้ว่าคอร์พัสเคิลแต่ต่อมาได้เปลี่ยนชื่อเป็นอิเล็กตรอนเนื่องจากอนุภาคเหล่านี้เป็นอนุภาคที่นำไฟฟ้า^[13]ทอมสันยังแสดงให้เห็นด้วยว่าอิเล็กตรอนนั้นเหมือนกับอนุภาคที่ปล่อยออกมาจาก วัสดุ โฟโตอิเล็กทริกและกัมมันตภาพรังสี^[14]ทอมสันอธิบายว่ากระแสไฟฟ้าคือการส่งผ่านอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอมถัดไป และเมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะฝังตัวอยู่ในอะตอม ซึ่งหมายความว่าอะตอมไม่สามารถแบ่งแยกได้ดังที่นักวิทยาศาสตร์คิด อะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งประจุลบจะถูกสมดุลด้วยแหล่งประจุบวกเพื่อสร้างอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ทอมสันอธิบายว่าไอออนจะต้องเป็นอะตอมที่มีอิเล็กตรอนเกินหรือขาด^[15]

อิเล็กตรอนในอะตอมจะต้องสมดุลกันด้วยประจุบวกในปริมาณที่สมดุล แต่ทอมสันไม่รู้ว่าประจุบวกนี้มาจากไหน ดังนั้นเขาจึงเสนออย่างชั่วคราวว่าประจุบวกนี้มีอยู่ทั่วอะตอม โดยอะตอมมีรูปร่างเป็นทรงกลม จากนั้นเขาจึงจินตนาการว่าแรงไฟฟ้าสถิตย์จะกระจายอิเล็กตรอนไปทั่วทรงกลมในลักษณะที่เท่าเทียมกันมากขึ้นหรือน้อยลง^[16]แบบจำลองของทอมสันเป็นที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อแบบจำลองพุดดิ้งพลัมแม้ว่าทอมสันและเพื่อนร่วมงานของเขาไม่ได้ใช้การเปรียบเทียบนี้ก็ตาม^[17]แบบจำลองของทอมสันไม่สมบูรณ์ ไม่สามารถทำนายคุณสมบัติอื่น ๆ ของธาตุ เช่นสเปกตรัมการแผ่รังสีและเวเลนซ์ได้ ในไม่ช้าแบบจำลองนี้ก็ล้าสมัยเนื่องจากมีการค้นพบนิวเคลียส ของ อะตอม

ระหว่างปี 1908 ถึง 1913 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดและเพื่อนร่วมงานของเขาฮันส์ ไกเกอร์และเออร์เนสต์ มาร์สเดนได้ทำการทดลองชุดหนึ่งโดยยิงลำแสงของอนุภาคแอลฟาใส่แผ่นโลหะบางๆ พวกเขาทำเช่นนี้เพื่อวัดรูปแบบการกระเจิงของอนุภาคแอลฟา พวกเขาสังเกตเห็นอนุภาคแอลฟาจำนวนเล็กน้อยที่เบี่ยงเบนไปเป็นมุมมากกว่า 90° ซึ่งไม่น่าจะเป็นไปได้ตามแบบจำลองทอมสันของอะตอม ซึ่งประจุของอะตอมนั้นกระจัดกระจายเกินกว่าที่จะสร้างสนามไฟฟ้าที่มีพลังเพียงพอ การเบี่ยงเบนทั้งหมดนั้นไม่ควรจะละเลยได้ รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอว่าประจุบวกของอะตอมพร้อมกับมวลส่วนใหญ่ของอะตอมจะรวมตัวอยู่ในนิวเคลียสขนาดเล็กที่ศูนย์กลางของอะตอม มีเพียงความเข้มข้นของประจุบวกที่เข้มข้นเช่นนี้เท่านั้น ซึ่งยึดด้วยมวลที่มีมากและแยกออกจากประจุลบ จึงจะสามารถสร้างสนามไฟฟ้าที่สามารถเบี่ยงเบนอนุภาคแอลฟาได้อย่างรุนแรงเช่นนี้^[18]

ปัญหาในกลศาสตร์คลาสสิกก็คือ อนุภาคที่มีประจุที่เร่งตัวจะแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้อนุภาคสูญเสียพลังงานจลน์ การเคลื่อนที่แบบวงกลมนับเป็นการเร่งความเร็ว ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนที่โคจรรอบประจุกลางควรหมุนเป็นเกลียวลงไปในนิวเคลียสเมื่อสูญเสียความเร็ว ในปี 1913 นักฟิสิกส์นีลส์ โบร์ได้เสนอแบบจำลองใหม่ซึ่งถือว่าอิเล็กตรอนของอะตอมโคจรรอบนิวเคลียส แต่สามารถทำได้ในวงโคจรชุดจำกัดเท่านั้น และสามารถกระโดดระหว่างวงโคจรเหล่านี้ได้เฉพาะการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่แยกจากกันซึ่งสอดคล้องกับการดูดกลืนหรือการแผ่รังสีของโฟตอน^[19]การหาปริมาณนี้ใช้เพื่ออธิบายว่าเหตุใดวงโคจรของอิเล็กตรอนจึงเสถียร และเหตุใดองค์ประกอบจึงดูดซับและแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในสเปกตรัมแยกจากกัน^[20]แบบจำลองของโบร์สามารถทำนายสเปกตรัมการปล่อยของไฮโดรเจนเท่านั้น ไม่ใช่อะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว

ย้อนกลับไปในปี 1815 วิลเลียม พราวต์ได้สังเกตว่ามวลอะตอมของธาตุหลายชนิดเป็นทวีคูณของมวลอะตอมของไฮโดรเจน ซึ่งในความเป็นจริงแล้วเป็นจริงสำหรับธาตุทั้งหมดหากเราคำนึง ถึง ไอโซโทปในปี 1898 เจ เจ ทอมสันพบว่าประจุบวกของไอออนไฮโดรเจนมีค่าเท่ากับประจุลบของอิเล็กตรอน และในขณะนั้น ประจุบวกเหล่านี้คืออนุภาคที่มีประจุที่เล็กที่สุดที่ทราบ^[21]ต่อมา ทอมสันพบว่าประจุบวกในอะตอมเป็นผลคูณบวกของประจุลบของอิเล็กตรอน^[22]ในปี 1913 เฮนรี่ โมสลีย์ได้ค้นพบว่าความถี่ของการแผ่รังสีเอกซ์จาก อะตอม ที่ถูกกระตุ้นนั้นเป็นฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ของเลขอะตอมและประจุนิวเคลียร์ของไฮโดรเจน ในปี 1917 รัทเทอร์ฟอร์ดยิงอนุภาคแอลฟาใส่ก๊าซไนโตรเจนและตรวจพบ ไอออน ไฮโดรเจนที่ถูกปล่อยออกมาจากก๊าซ และสรุปว่าไอออนเหล่านี้เกิดจากอนุภาคแอลฟาที่กระทบและแยกอะตอมไนโตรเจน^[23]

การสังเกตเหล่านี้ทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดสรุปได้ว่านิวเคลียสไฮโดรเจนเป็นอนุภาคเดี่ยวที่มีประจุบวกเท่ากับประจุลบของอิเล็กตรอน^[24]เขาตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า " โปรตอน " ในปี 1920 ^[25] เลขอะตอมของธาตุซึ่งกำหนดเป็นตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุยังเป็นจำนวนโปรตอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสด้วย น้ำหนักอะตอมของธาตุแต่ละธาตุสูงกว่าจำนวนโปรตอน ดังนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดจึงตั้งสมมติฐานว่าน้ำหนักส่วนเกินนั้นถูกพาโดยอนุภาคที่ไม่รู้จักซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้าและมีมวลเท่ากับโปรตอน

ในปี 1928 วอลเตอร์ โบเธได้สังเกตเห็นว่าเบริลเลียมปล่อยรังสีที่ทะลุทะลวงได้สูงและเป็นกลางทางไฟฟ้าเมื่อถูกโจมตีด้วยอนุภาคแอลฟา ต่อมามีการค้นพบว่ารังสีนี้สามารถกระแทกอะตอมไฮโดรเจนออกจากพาราฟินแวกซ์ได้ ในตอนแรกเชื่อกันว่าเป็นรังสีแกมมา พลังงานสูง เนื่องจากรังสีแกมมามีผลคล้ายกันกับอิเล็กตรอนในโลหะ แต่เจมส์ แชดวิกพบว่า ผลกระทบจาก การแตกตัวของไอออนนั้นรุนแรงเกินกว่าที่จะเกิดจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ตราบใดที่พลังงานและโมเมนตัมยังคงได้รับการอนุรักษ์ในปฏิกิริยา ในปี 1932 แชดวิกได้เปิดเผยธาตุต่างๆ เช่น ไฮโดรเจนและไนโตรเจน ต่อ "รังสีเบริลเลียม" อันลึกลับ และด้วยการวัดพลังงานของอนุภาคที่มีประจุที่ถอยกลับ เขาสรุปได้ว่ารังสีนั้นประกอบด้วยอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งไม่สามารถมีมวลน้อยเหมือนรังสีแกมมา แต่กลับต้องมีมวลใกล้เคียงกับโปรตอน แชดวิกจึงอ้างว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นนิวตรอนของรัทเทอร์ฟอร์ด^[26]

ในปี 1925 แวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์กได้ตีพิมพ์สูตรทางคณิตศาสตร์ที่สอดคล้องกันเป็นครั้งแรกของกลศาสตร์ควอนตัม ( กลศาสตร์เมทริกซ์ ) ^[27]หนึ่งปีก่อนหน้านั้นหลุยส์ เดอ บรอยล์ได้เสนอว่าอนุภาคทั้งหมดมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นในระดับหนึ่ง^[28]และในปี 1926 เออร์วิน ชเรอดิงเงอร์ได้ใช้แนวคิดนี้เพื่อพัฒนาสมการชเรอดิงเงอร์ ซึ่งอธิบายอิเล็กตรอนเป็น รูปคลื่นสามมิติแทนที่จะเป็นจุดในอวกาศ^[29]ผลที่ตามมาของการใช้รูปคลื่นเพื่ออธิบายอนุภาคคือ เป็นไปไม่ได้ทางคณิตศาสตร์ที่จะได้ค่าที่แม่นยำสำหรับทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคในจุดเวลาที่กำหนด สิ่งนี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อหลักความไม่แน่นอนซึ่งกำหนดโดยแวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์กในปี 1927 ^[27]ในแนวคิดนี้ สำหรับความแม่นยำที่กำหนดในการวัดตำแหน่ง เราสามารถรับช่วงค่าที่น่าจะเป็นได้สำหรับโมเมนตัมเท่านั้น และในทางกลับกัน^[30]ด้วยเหตุนี้ แบบจำลองอะตอมแบบดาวเคราะห์จึงถูกละทิ้งไป และใช้แบบจำลองที่อธิบาย โซน โคจรของอะตอมรอบนิวเคลียส ซึ่งอิเล็กตรอนตัวหนึ่งน่าจะมีโอกาสพบได้มากที่สุดแทน^{[31] [32]}แบบจำลองนี้สามารถอธิบายการสังเกตพฤติกรรมของอะตอมที่แบบจำลองก่อนหน้าทำไม่ได้ เช่น รูปแบบโครงสร้างและสเปกตรัม บางอย่าง ของอะตอมที่มีขนาดใหญ่กว่าไฮโดรเจน

แม้ว่าเดิมคำว่าอะตอม จะหมายถึงอนุภาคที่ไม่สามารถแบ่งให้เล็กลงได้ แต่ ใน ทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ อะตอมประกอบด้วยอนุภาคย่อยของอะตอม หลายชนิด อนุภาคที่ประกอบกันเป็นอะตอม ได้แก่อิเล็กตรอนโปรตอนและนิวตรอน

อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีมวลน้อยที่สุดในบรรดาอนุภาคเหล่านี้โดยมีลำดับขนาดสี่ลำดับที่9.11 × 10 ⁻³¹  กก . มี ประจุไฟฟ้าลบและมีขนาดเล็กเกินกว่าจะวัดได้โดยใช้เทคนิคที่มีอยู่^[33]มันเป็นอนุภาคที่มีน้ำหนักเบาที่สุดที่มีมวลนิ่งบวกที่วัดได้ จนกระทั่งค้นพบ มวล นิวตริโนภายใต้เงื่อนไขปกติ อิเล็กตรอนจะถูกผูกไว้กับนิวเคลียสที่มีประจุบวกโดยแรงดึงดูดที่เกิดจากประจุไฟฟ้าตรงข้าม หากอะตอมมีอิเล็กตรอนมากกว่าหรือต่ำกว่าเลขอะตอม อิเล็กตรอนก็จะกลายเป็นประจุลบหรือบวกตามลำดับ อะตอมที่มีประจุเรียกว่าไอออนอิเล็กตรอนเป็นที่รู้จักตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 ส่วนใหญ่ต้องขอบคุณJJ Thomsonดูประวัติฟิสิกส์ย่อยอะตอมสำหรับรายละเอียด

โปรตอนมีประจุบวกและมีมวล1.6726 × 10 ⁻²⁷  กก . จำนวนโปรตอนในอะตอมเรียกว่าเลขอะตอมเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (1919) สังเกตเห็นว่าไนโตรเจนภายใต้การโจมตีด้วยอนุภาคแอลฟาจะขับสิ่งที่ดูเหมือนนิวเคลียสไฮโดรเจนออกมา ภายในปี 1920 เขายอมรับว่านิวเคลียสไฮโดรเจนเป็นอนุภาคที่แตกต่างกันภายในอะตอมและตั้งชื่อมันว่า โปรตอน

นิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้าและมีมวลเท่ากับ1.6749 × 10 ⁻²⁷  กก . ^{[34] [35]}นิวตรอนเป็นอนุภาคที่หนักที่สุดในองค์ประกอบทั้งสาม แต่มวลของอนุภาคเหล่านี้สามารถลดลงได้ด้วยพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสนิวตรอนและโปรตอน (เรียกรวมกันว่านิวคลีออน ) มีขนาดที่เทียบเคียงได้—ในระดับของ2.5 × 10 ⁻¹⁵  ม. — แม้ว่า 'พื้นผิว' ของอนุภาคเหล่านี้จะไม่ถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจนก็ตาม^[36]นิวตรอนถูกค้นพบในปีพ.ศ. 2475 โดยเจมส์ แชดวิกนัก ฟิสิกส์ชาวอังกฤษ

ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคพื้นฐานอย่างแท้จริงที่ไม่มีโครงสร้างภายใน ในขณะที่โปรตอนและนิวตรอนเป็นอนุภาคประกอบที่ประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานที่เรียกว่าควาร์กควาร์กในอะตอมมี 2 ประเภท โดยแต่ละประเภทมีประจุไฟฟ้าเศษส่วน โปรตอนประกอบด้วยควาร์กขึ้น 2 ตัว (แต่ละตัวมีประจุ + ⁠2-3⁠ ) ​​และควาร์กลง หนึ่งตัว (มีประจุ − ⁠1-3⁠ ) ​​นิวตรอนประกอบด้วยควาร์กอัพหนึ่งตัวและควาร์กดาวน์สองตัว ความแตกต่างนี้อธิบายความแตกต่างของมวลและประจุระหว่างอนุภาคทั้งสอง^{[37] [38]}

ควาร์กถูกยึดเข้าด้วยกันโดยปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง (หรือแรงที่รุนแรง) ซึ่งถูกควบคุมโดยกลูออนโปรตอนและนิวตรอนจะถูกยึดเข้าด้วยกันในนิวเคลียสโดยแรงนิวเคลียร์ซึ่งเป็นเศษซากของแรงที่รุนแรงซึ่งมีคุณสมบัติช่วงที่แตกต่างกันเล็กน้อย (ดูบทความเกี่ยวกับแรงนิวเคลียร์สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม) กลูออนเป็นสมาชิกของตระกูลโบซอนวัดซึ่งเป็นอนุภาคพื้นฐานที่ควบคุมแรงทางกายภาพ^{[37] [38]}

โปรตอนและนิวตรอนที่ผูกมัดกันทั้งหมดในอะตอมประกอบกันเป็น นิวเคลียส อะตอม ขนาดเล็ก และเรียกรวมกันว่านิว คลี ออน รัศมีของนิวเคลียสมีค่าประมาณเท่ากับเฟมโตเมตรโดยที่คือ จำนวนนิวคลีออนทั้งหมด^[39]ซึ่งเล็กกว่ารัศมีของอะตอมมาก ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 10 ⁵  fm นิวคลีออนถูกผูกมัดกันด้วยศักย์ดึงดูดระยะสั้นที่เรียกว่าแรงที่แข็งแกร่ง ตกค้าง ที่ระยะห่างน้อยกว่า 2.5 fm แรงนี้จะมีพลังมากกว่าแรงไฟฟ้าสถิตที่ทำให้โปรตอนที่มีประจุบวกผลักกัน มาก ^[40]${\displaystyle 1.07{\sqrt[{3}]{ก}}}$ ${\displaystyle ก}$

อะตอมของ ธาตุเดียวกันจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน เรียกว่าเลขอะตอมภายในธาตุเดียวกัน จำนวนนิวตรอนอาจแตกต่างกันไป ซึ่งจะกำหนดไอโซโทปของธาตุนั้น จำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดจะกำหนดนิวไคลด์จำนวนนิวตรอนเมื่อเทียบกับโปรตอนจะกำหนดเสถียรภาพของนิวเคลียส โดยไอโซโทปบางชนิดจะสลายตัวด้วยกัมมันตภาพรังสี[ ^41]

โปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตรอนถูกจัดประเภทเป็นเฟอร์มิออน เฟอร์มิออนปฏิบัติตามหลักการกีดกันของเพาลีซึ่งห้าม เฟอร์มิออน ที่เหมือนกันเช่น โปรตอนหลายตัว ไม่ให้ครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันในเวลาเดียวกัน ดังนั้น โปรตอนทุกตัวในนิวเคลียสจะต้องครอบครองสถานะควอนตัมที่แตกต่างจากโปรตอนอื่นๆ ทั้งหมด และหลักการเดียวกันนี้ใช้ได้กับนิวตรอนทั้งหมดในนิวเคลียสและอิเล็กตรอนทั้งหมดในกลุ่มอิเล็กตรอนด้วย^[42]

นิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนต่างจากนิวตรอนอาจลดลงสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่าได้ผ่านการสลายตัวกัมมันตภาพรังสี ซึ่งทำให้จำนวนโปรตอนและนิวตรอนใกล้เคียงกันมากขึ้น เป็นผลให้อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนตรงกันจะเสถียรกว่าเมื่อไม่สลายตัว แต่เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น การผลักกันระหว่างโปรตอนจะต้องใช้นิวตรอนในสัดส่วนที่เพิ่มมากขึ้นเพื่อรักษาเสถียรภาพของนิวเคลียส^[42]

จำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอมสามารถปรับเปลี่ยนได้ แม้ว่าจะต้องใช้พลังงานสูงมากเนื่องจากแรงที่รุนแรงก็ตาม ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคอะตอมหลายอนุภาครวมตัวกันเพื่อสร้างนิวเคลียสที่หนักกว่า เช่น ผ่านการชนกันของนิวเคลียสสองอนุภาคที่มีพลังงานสูง ตัวอย่างเช่น ที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ โปรตอนต้องใช้พลังงาน 3 ถึง 10 keV เพื่อเอาชนะแรงผลักซึ่งกันและกัน (ซึ่งก็คือกำแพงคูลอมบ์ ) และหลอมรวมกันเป็นนิวเคลียสเดียว^[43] ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์เป็นกระบวนการตรงกันข้าม ซึ่งทำให้นิวเคลียสแตกออกเป็นนิวเคลียสที่เล็กกว่าสองนิวเคลียส ซึ่งโดยปกติแล้วเกิดจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี นิวเคลียสยังสามารถปรับเปลี่ยนได้โดยการทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคย่อยอะตอมที่มีพลังงานสูงหรือโฟตอน หากการกระทำดังกล่าวเปลี่ยนแปลงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส อะตอมก็จะเปลี่ยนไปเป็นธาตุเคมีอื่น^{[44] [45]}

หากมวลของนิวเคลียสหลังจากปฏิกิริยาฟิวชันมีค่าน้อยกว่าผลรวมของมวลของอนุภาคที่แยกจากกัน ความแตกต่างระหว่างค่าทั้งสองนี้สามารถปล่อยออกมาเป็นพลังงานที่ใช้ได้ประเภทหนึ่ง (เช่นรังสีแกมมาหรือพลังงานจลน์ของอนุภาคบีตา ) ตามที่อธิบายโดยสูตรสมมูลมวล-พลังงานของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์e=mc2 ^โดยที่mคือการสูญเสียมวล และcคือความเร็วแสงการขาดดุลนี้เป็นส่วนหนึ่งของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสใหม่ และการสูญเสียพลังงานที่ไม่สามารถกู้คืนได้นั้นเป็นสาเหตุที่ทำให้อนุภาคที่หลอมรวมกันนั้นยังคงอยู่ด้วยกันในสถานะที่ต้องการพลังงานนี้เพื่อแยกออกจากกัน^[46]

การหลอมรวมนิวเคลียสสองอันที่สร้างนิวเคลียสขนาดใหญ่ที่มีเลขอะตอมต่ำกว่าเหล็กและนิกเกิล (ซึ่งมีเลขนิวคลีออนรวมประมาณ 60) มักเป็นกระบวนการคายความร้อนที่ปลดปล่อยพลังงานมากกว่าที่จำเป็นในการนำพวกมันมารวมกัน^[47]กระบวนการปลดปล่อยพลังงานนี้เองที่ทำให้ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์ในดาวฤกษ์เป็นปฏิกิริยาที่ยั่งยืน สำหรับนิวเคลียสที่หนักกว่า พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเริ่มลดลง นั่นหมายความว่ากระบวนการฟิวชันที่สร้างนิวเคลียสที่มีเลขอะตอมสูงกว่าประมาณ 26 และเลขมวลสูงกว่าประมาณ 60 นั้นเป็นกระบวนการดูดความร้อนดังนั้น นิวเคลียสที่มีมวลมากกว่าจึงไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิวชันที่สร้างพลังงานซึ่งสามารถรักษาสมดุลไฮโดรสแตติกของดาวฤกษ์ ได้ ^[42]

อิเล็กตรอนในอะตอมถูกดึงดูดเข้าหาโปรตอนในนิวเคลียสโดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าแรงนี้จะยึดอิเล็กตรอนไว้ภายในหลุมศักย์ไฟฟ้าสถิตย์ ที่อยู่รอบนิวเคลียสที่เล็กกว่า ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องมีแหล่งพลังงานภายนอกเพื่อให้อิเล็กตรอนหลุดออกไป ยิ่งอิเล็กตรอนอยู่ใกล้นิวเคลียสมากเท่าไร แรงดึงดูดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น อิเล็กตรอนที่ยึดไว้ใกล้ศูนย์กลางหลุมศักย์จะต้องใช้พลังงานมากกว่าในการหลุดออกไปเมื่อเทียบกับอิเล็กตรอนที่อยู่ห่างกันมากขึ้น

อิเล็กตรอนมีคุณสมบัติทั้งของ อนุภาคและคลื่นเช่นเดียวกับอนุภาคอื่นๆเมฆอิเล็กตรอนเป็นบริเวณภายในหลุมศักย์ซึ่งอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะสร้างคลื่นนิ่ง สามมิติชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นรูปคลื่นที่ไม่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับนิวเคลียส พฤติกรรมนี้กำหนดโดยวงโคจรอะตอม ซึ่งเป็น ฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ที่แสดงถึงความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะปรากฏอยู่ในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งเมื่อวัดตำแหน่ง^[48]มีเพียงชุดของวงโคจรที่แยกจากกัน (หรือควอนไทซ์) ที่มีอยู่รอบนิวเคลียส เนื่องจากรูปแบบคลื่นที่เป็นไปได้อื่นๆ จะสลายตัวอย่างรวดเร็วเป็นรูปแบบที่เสถียรกว่า^[49]วงโคจรอาจมีโครงสร้างวงแหวนหรือโหนดหนึ่งโครงสร้างขึ้นไป และมีขนาด รูปร่าง และทิศทางที่แตกต่างกัน^[50]

แต่ละวงโคจรของอะตอมจะสัมพันธ์กับ ระดับพลังงานเฉพาะของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนสามารถเปลี่ยนสถานะไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นได้โดยการดูดซับโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอที่จะผลักดันให้อิเล็กตรอนเข้าสู่สถานะควอนตัมใหม่ ในทำนองเดียวกันอิเล็กตรอนในสถานะพลังงานที่สูงขึ้นสามารถลดลงสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่าได้ในขณะที่แผ่พลังงานส่วนเกินออกมาเป็นโฟตอน ค่าพลังงานลักษณะเฉพาะเหล่านี้ ซึ่งกำหนดโดยความแตกต่างของพลังงานในสถานะควอนตัม มีหน้าที่รับผิดชอบต่อเส้นสเปกตรัมอะตอม^[49 ]

ปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการเอาอิเล็กตรอนออกหรือเพิ่มอิเล็กตรอน— พลังงานยึดอิเล็กตรอน —น้อยกว่าพลังงานยึดของนิวคลีออน มาก ตัวอย่างเช่น ต้องใช้พลังงานเพียง 13.6 eV เพื่อดึง อิเล็กตรอน สถานะพื้นฐาน ออก จากอะตอมไฮโดรเจน^[51]เมื่อเทียบกับ 2.23  ล้าน eV สำหรับการแยกนิวเคลียส ของ ดิวทีเรียม^[52]อะตอม เป็นกลางทาง ไฟฟ้าหากมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน อะตอมที่มีอิเล็กตรอนขาดหรือเกินเรียกว่าไอออนอิเล็กตรอนที่อยู่ไกลจากนิวเคลียสที่สุดอาจถูกถ่ายโอนไปยังอะตอมอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียงหรือแบ่งปันระหว่างอะตอม ด้วยกลไกนี้ อะตอมจึงสามารถจับตัวเป็นโมเลกุล และ สารประกอบเคมีประเภทอื่นๆเช่นผลึกเครือข่ายไอออนิกและโควาเลนต์ [ ^53]

ตามคำจำกัดความ อะตอมสองอะตอมที่มีจำนวนโปรตอน เท่ากัน ในนิวเคลียสจะอยู่ในธาตุเคมี เดียวกัน อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันจะเป็นไอโซโทปที่ต่างกันของธาตุเดียวกัน ตัวอย่างเช่น อะตอมไฮโดรเจนทั้งหมดยอมรับโปรตอนได้หนึ่งตัวเท่านั้น แต่มีไอโซโทปที่ไม่มีนิวตรอน ( ไฮโดรเจน-1ซึ่งเป็นรูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุด^[54]เรียกอีกอย่างว่าโปรเทียม) นิวตรอนหนึ่งตัว ( ดิวทีเรียม ) นิวตรอนสองตัว ( ทริเทียม ) และนิวตรอนมากกว่าสองตัว ธาตุที่รู้จักจะประกอบเป็นชุดของเลขอะตอม ตั้งแต่ธาตุไฮโดรเจน ที่มีโปรตอนตัวเดียว ไปจนถึงธาตุโอกาเนสซอนที่ มี 118 โปรตอน ^[55]ไอโซโทปที่รู้จักทั้งหมดของธาตุที่มีเลขอะตอมมากกว่า 82 ล้วนเป็นกัมมันตภาพรังสี แม้ว่ากัมมันตภาพรังสีของธาตุ 83 ( บิสมัท ) จะน้อยมากจนแทบไม่สามารถละเลยได้^{[56] [57]}

นิวไคลด์ประมาณ 339 ชนิดเกิดขึ้นตามธรรมชาติบนโลก[ ^58]ซึ่ง 251 ชนิด (ประมาณ 74%) ไม่พบว่ามีการสลายตัว และเรียกกันว่า " ไอโซโทปเสถียร " มีเพียง 90 ชนิดเท่านั้นที่มีความเสถียรในทางทฤษฎีในขณะที่อีก 161 ชนิด (รวมทั้งหมดเป็น 251 ชนิด) ไม่พบว่ามีการสลายตัว แม้ว่าในทางทฤษฎีจะเป็นไปได้ทางพลังงานก็ตาม นิวไคลด์เหล่านี้ยังได้รับการจัดประเภทอย่างเป็นทางการว่าเป็น "เสถียร" นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีอีก 35 ชนิดมีครึ่งชีวิตยาวนานกว่า 100 ล้านปี และมีอายุยาวนานเพียงพอที่จะมีอยู่มาตั้งแต่ระบบสุริยะถือกำเนิดนิ วไคลด์ 286 ชนิดในกลุ่มนี้เรียกว่านิวไคลด์ดั้งเดิมในที่สุด นิวไคลด์อายุสั้นอีก 53 ชนิดเป็นที่ทราบกันว่าเกิดขึ้นตามธรรมชาติ โดยเป็นผลิตภัณฑ์ลูกของการสลายตัวของนิวไคลด์ดั้งเดิม (เช่นเรเดียมจากยูเรเนียม ) หรือเป็นผลิตภัณฑ์จากกระบวนการทางพลังงานตามธรรมชาติบนโลก เช่น การโจมตีด้วยรังสีคอสมิก (เช่น คาร์บอน-14) ^{[59] [หมายเหตุ 1]}

สำหรับธาตุเคมี 80 ชนิด มี ไอโซโทปเสถียร อย่างน้อยหนึ่ง ไอโซโทป ตามกฎแล้ว มีไอโซโทปเสถียรเพียงไม่กี่ไอโซโทปสำหรับแต่ละธาตุ โดยเฉลี่ยแล้วมีไอโซโทปเสถียร 3.1 ไอโซโทปต่อธาตุ ธาตุโมโนไอโซโทป 26 ชนิด มีไอโซโทปเสถียรเพียงไอโซโทปเดียว ในขณะที่จำนวนไอโซโทปเสถียรที่สังเกตได้มากที่สุดสำหรับธาตุใดๆ ก็ตามคือ 10 ไอโซโทป สำหรับธาตุดีบุก ธาตุ43 , 61 และธาตุทั้งหมดที่มีหมายเลข83ขึ้นไปไม่มีไอโซโทปเสถียร^{[60] : 1–12}

เสถียรภาพของไอโซโทปได้รับผลกระทบจากอัตราส่วนของโปรตอนต่อนิวตรอน และยังรวมถึงการมีอยู่ของ "จำนวนมหัศจรรย์" ของนิวตรอนหรือโปรตอนบางตัวที่แสดงถึงเปลือกควอนตัมที่ปิดและเต็ม เปลือกควอนตัมเหล่านี้สอดคล้องกับชุดของระดับพลังงานภายในแบบจำลองเปลือกของนิวเคลียส เปลือกที่เต็ม เช่น เปลือกที่เต็ม 50 โปรตอนสำหรับดีบุก มอบเสถียรภาพที่ไม่ธรรมดาให้กับนิวไคลด์ จากนิวไคลด์ที่เสถียรที่ทราบ 251 แห่ง มีเพียงสี่แห่งเท่านั้นที่มีทั้งจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนคี่ ได้แก่ไฮโดรเจน-2 ( ดิวทีเรียม ) ลิเธี ยม-6 โบรอน-10และไนโตรเจน-14 ( แทนทาลัม-180mเป็นธาตุที่มีความเสถียรทางแสงและมีการสังเกต แต่คาดว่าจะสลายตัวด้วยครึ่งชีวิตที่ยาวนานมาก) นอกจากนี้ มีเพียงนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่มีประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าที่^เป็น...

มวลส่วนใหญ่ของอะตอมมาจากโปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบกันขึ้น จำนวนทั้งหมดของอนุภาคเหล่านี้ (เรียกว่า "นิวคลีออน") ในอะตอมหนึ่งๆ เรียกว่าเลขมวลซึ่งเป็นจำนวนเต็มบวกและไม่มีมิติ (แทนที่จะมีมิติของมวล) เนื่องจากแสดงถึงจำนวน ตัวอย่างการใช้เลขมวล เช่น คาร์บอน-12 ซึ่งมีนิวคลีออน 12 ตัว (โปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 6 ตัว)

มวล จริงของอะตอมที่หยุดนิ่งมักแสดงเป็นดาลตัน (Da) ซึ่งเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าหน่วยมวลอะตอมรวม (u) หน่วยนี้ถูกกำหนดให้เป็นหนึ่งในสิบสองของมวลของอะตอมคาร์บอน-12 ที่เป็นกลาง ซึ่งมีค่าประมาณ1.66 × 10 ⁻²⁷  กก . ^[62] ไฮโดรเจน-1 (ไอโซโทปไฮโดรเจนที่เบาที่สุดซึ่งเป็นนิวไคลด์ที่มีมวลต่ำที่สุด) มีน้ำหนักอะตอม 1.007825 Da ^[63]ค่าของตัวเลขนี้เรียกว่ามวลอะตอม อะตอมที่กำหนดจะมีมวลอะตอมประมาณเท่ากัน (ภายใน 1%) กับเลขมวลคูณหน่วยมวลอะตอม (ตัวอย่างเช่น มวลของไนโตรเจน-14 มีค่าประมาณ 14 Da) แต่ตัวเลขนี้จะไม่เป็นจำนวนเต็มที่แน่นอน ยกเว้น (ตามคำจำกัดความ) ในกรณีของคาร์บอน-12 ^[64] อะตอมเสถียรที่หนักที่สุดคือตะกั่ว-208 ^[56]ซึ่งมีมวล207.976 6521  ดา . ^[65]

เนื่องจากอะตอมที่มีมวลมากที่สุดก็เบาเกินไปที่จะทำงานโดยตรง นักเคมีจึงใช้หน่วยโมล แทน อะตอมหนึ่งโมลของธาตุใดๆ ก็ตามจะมีจำนวนอะตอมเท่ากันเสมอ (ประมาณ6.022 × 10 ²³ ) ตัวเลขนี้ถูกเลือกเพื่อให้หากธาตุมีมวลอะตอมเท่ากับ 1 u โมลของอะตอมของธาตุนั้นจะมีมวลใกล้เคียงกับ 1 กรัม เนื่องจากคำจำกัดความของหน่วยมวลอะตอมรวม อะตอมคาร์บอน-12 แต่ละอะตอมจึงมีมวลอะตอมเท่ากับ 12 Da พอดี ดังนั้น โมลของอะตอมคาร์บอน-12 จึงมีน้ำหนัก 0.012 กิโลกรัมพอดี ^[62]

อะตอมไม่มีขอบเขตด้านนอกที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ดังนั้นขนาดของอะตอมจึงมักอธิบายในรูปของรัศมีอะตอมซึ่งเป็นการวัดระยะทางที่กลุ่มอิเล็กตรอนขยายออกไปจากนิวเคลียส^[66]ซึ่งถือว่าอะตอมมีรูปร่างเป็นทรงกลม ซึ่งจะปฏิบัติตามได้เฉพาะอะตอมในสุญญากาศหรืออวกาศเท่านั้น รัศมีอะตอมอาจได้มาจากระยะทางระหว่างนิวเคลียสสองแห่งเมื่ออะตอมทั้งสองเชื่อมกันด้วยพันธะเคมีรัศมีจะแตกต่างกันไปตามตำแหน่งของอะตอมในแผนภูมิอะตอม ประเภทของพันธะเคมี จำนวนอะตอมข้างเคียง ( เลขพิกัด ) และ สมบัติ เชิงกลควอนตัมที่เรียกว่าสปิน [ ^67]ในตารางธาตุขนาดของอะตอมมีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นเมื่อเลื่อนลงมาตามคอลัมน์ แต่จะลดลงเมื่อเลื่อนข้ามแถว (ซ้ายไปขวา) ^[68]ดังนั้น อะตอมที่เล็กที่สุดคือฮีเลียม ซึ่งมีรัศมี 32  pmในขณะที่อะตอมที่ใหญ่ที่สุดคือซีเซียมซึ่งมีรัศมี 225 pm ^[69]

เมื่อถูกแรงภายนอก เช่นสนามไฟฟ้ารูปร่างของอะตอมอาจเบี่ยงเบนไปจากความสมมาตรทรงกลมการเสียรูปขึ้นอยู่กับขนาดของสนามและประเภทวงโคจรของอิเล็กตรอนในเปลือกนอก ดังที่แสดงโดย การพิจารณา ทางทฤษฎีกลุ่มการเบี่ยงเบนแบบทรงกลมอาจเกิดขึ้นได้ เช่น ในผลึกซึ่งสนามไฟฟ้าผลึกขนาดใหญ่อาจเกิดขึ้นที่ตำแหน่งโครงตาข่ายที่มีความสมมาตรต่ำ^{[70] [71]}พบว่าการเสียรูปทรงรีที่สำคัญ เกิดขึ้นกับไอออนซัลเฟอร์ ^[72]และไอออนแคลโคเจน^[73]ในสารประกอบประเภท ไพไรต์

ขนาดของอะตอมมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสง (400–700  นาโนเมตร ) หลายพันเท่า จึงไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลแม้ว่าจะสามารถสังเกตอะตอมแต่ละอะตอมได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนอุโมงค์ก็ตาม หากต้องการดูขนาดจิ๋วของอะตอม ให้พิจารณาว่าเส้นผมของมนุษย์ทั่วไปมีอะตอมคาร์บอนกว้างประมาณ 1 ล้านอะตอม^[74]น้ำหยดเดียวมีอนุภาคประมาณ 2  เซ็กสติลเลียน (2 × 10 ²¹ ) อะตอมของออกซิเจน และจำนวนอะตอมไฮโดรเจนเป็นสองเท่า^[75] เพชรหนึ่งกะรัต ที่มีมวลเท่ากับ2 × 10 ⁻⁴  กิโลกรัม ประกอบด้วย อะตอมคาร์บอนประมาณ 10 เซ็กซ์ทิลเลียน (10 ²² ) ^{[หมายเหตุ 2]}หากขยายแอปเปิลให้มีขนาดเท่ากับโลก อะตอมในแอปเปิลก็จะมีขนาดประมาณแอปเปิลดั้งเดิม^[76]

ธาตุแต่ละชนิดมีไอโซโทปหนึ่งชนิดหรือมากกว่านั้นที่มีนิวเคลียสที่ไม่เสถียรซึ่งอยู่ภายใต้การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี ส่งผลให้นิวเคลียสปล่อยอนุภาคหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา กัมมันตภาพรังสีอาจเกิดขึ้นได้เมื่อรัศมีของนิวเคลียสมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับรัศมีของแรงที่รุนแรง ซึ่งมีผลในระยะทางประมาณ 1 fm เท่านั้น^[77]

รูปแบบการสลายตัวของกัมมันตรังสีที่พบมากที่สุด ได้แก่: ^{[78] [79]}

• การสลายตัวของแอลฟา : กระบวนการนี้เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา ซึ่งก็คือนิวเคลียสของฮีเลียมที่ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว ผลลัพธ์ของการปลดปล่อยนี้คือธาตุใหม่ที่มีเลขอะตอม ต่ำกว่า
• การสลายตัวของเบตา (และการจับอิเล็กตรอน ): กระบวนการเหล่านี้ถูกควบคุมโดยแรงอ่อนและเป็นผลมาจากการเปลี่ยนนิวตรอนเป็นโปรตอน หรือโปรตอนเป็นนิวตรอน การเปลี่ยนจากนิวตรอนเป็นโปรตอนจะมาพร้อมกับการปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนในขณะที่การเปลี่ยนจากโปรตอนเป็นนิวตรอน (ยกเว้นในการจับอิเล็กตรอน) ทำให้เกิดการปล่อยโพซิตรอนและนิวตริโนการปล่อยอิเล็กตรอนหรือโพซิตรอนเรียกว่าอนุภาคเบตา การสลายตัวของเบตาจะเพิ่มหรือลดเลขอะตอมของนิวเคลียสหนึ่ง การจับอิเล็กตรอนพบได้บ่อยกว่าการปล่อยโพซิตรอน เนื่องจากต้องใช้พลังงานน้อยกว่า ในการสลายตัวประเภทนี้ อิเล็กตรอนจะถูกดูดซับโดยนิวเคลียส แทนที่จะเป็นโพซิตรอนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียส นิวตริโนยังคงถูกปล่อยออกมาในกระบวนการนี้ และโปรตอนจะเปลี่ยนเป็นนิวตรอน
• การสลายตัวของแกมมา : กระบวนการนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของนิวเคลียสไปสู่สถานะที่ต่ำกว่า ส่งผลให้เกิดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า สถานะกระตุ้นของนิวเคลียสซึ่งส่งผลให้เกิดการแผ่รังสีแกมมาโดยปกติจะเกิดขึ้นหลังจากการปล่อยอนุภาคแอลฟาหรือบีตา ดังนั้น การสลายตัวของแกมมาจึงมักเกิดขึ้นหลังจากการสลายตัวของแอลฟาหรือบีตา

การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีชนิดอื่นๆ ที่พบได้น้อยกว่าได้แก่ การดีดตัวของนิวตรอนหรือโปรตอนหรือกลุ่มนิวคลีออน ออก จากนิวเคลียส หรืออนุภาคบีตา จำนวนมากกว่าหนึ่งอนุภาค แอนะล็อกของการปล่อยแกมมาซึ่งทำให้นิวเคลียสที่ถูกกระตุ้นสูญเสียพลังงานในลักษณะที่แตกต่างกัน คือการแปลงภายในซึ่งเป็นกระบวนการที่ผลิตอิเล็กตรอนความเร็วสูงที่ไม่ใช่รังสีบีตา ตามด้วยการผลิตโฟตอนพลังงานสูงที่ไม่ใช่รังสีแกมมา นิวเคลียสขนาดใหญ่จำนวนหนึ่งจะระเบิดออกเป็นชิ้นส่วนที่มีประจุสองชิ้นขึ้นไปที่มีมวลแตกต่างกันบวกกับนิวตรอนหลายตัวในการสลายตัวที่เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ฟิชชันโดยธรรมชาติ

ไอโซโทปกัมมันตรังสีแต่ละชนิดมีช่วงเวลาการสลายตัวที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะ ซึ่งก็คือครึ่งชีวิตซึ่งจะถูกกำหนดโดยจำนวนเวลาที่ต้องใช้ในการสลายตัวของครึ่งหนึ่งของตัวอย่าง นี่คือ กระบวนการ สลายแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลที่ลดสัดส่วนของไอโซโทปที่เหลือลงทีละ 50% ทุกๆ ครึ่งชีวิต ดังนั้น เมื่อผ่านไปสองครึ่งชีวิต จะมีไอโซโทปเหลืออยู่เพียง 25% เท่านั้น และเป็นเช่นนี้ไปเรื่อยๆ^[77]

อนุภาคพื้นฐานมีคุณสมบัติทางกลศาสตร์ควอนตัมในตัวที่เรียกว่าสปินซึ่งคล้ายคลึงกับโมเมนตัมเชิงมุมของวัตถุที่หมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลแม้ว่าจะเชื่อกันโดยเคร่งครัดว่าอนุภาคเหล่านี้มีลักษณะคล้ายจุดและไม่สามารถกล่าวได้ว่าหมุน สปินวัดด้วยหน่วยของค่าคงที่ของพลังค์ ที่ลดลง (ħ) โดยอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอนทั้งหมดมีสปิน1 ⁄ 2  ħ หรือ "สปิน- 1 ⁄ 2 " ในอะตอม อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสจะมีโมเมนตัมเชิงมุม เชิงวงโคจร นอกเหนือไปจากสปิน ในขณะที่นิวเคลียสเองก็มีโมเมนตัมเชิงมุมเนื่องมาจากสปินนิวเคลียส^[80]

สนามแม่เหล็กที่อะตอมสร้างขึ้น— โมเมนต์แม่เหล็ก ของมัน —ถูกกำหนดโดยโมเมนตัมเชิงมุมรูปแบบต่างๆ เหล่านี้ เช่นเดียวกับวัตถุที่มีประจุที่หมุนซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กโดยทั่วไป แต่ส่วนสำคัญที่สุดมาจากสปินของอิเล็กตรอน เนื่องจากธรรมชาติของอิเล็กตรอนที่เป็นไปตามหลักการกีดกันของเพาลีซึ่งไม่สามารถพบอิเล็กตรอนสองตัวในสถานะควอนตัม เดียวกัน ได้ อิเล็กตรอนที่ผูกมัดกันจะจับคู่กัน โดยสมาชิกหนึ่งตัวของแต่ละคู่จะอยู่ในสถานะสปินขึ้น และอีกตัวหนึ่งจะอยู่ในสถานะสปินลงตรงข้าม ดังนั้น สปินเหล่านี้จึงหักล้างกัน ทำให้โมเมนตัมไดโพลแม่เหล็กทั้งหมดลดลงเหลือศูนย์ในอะตอมบางตัวที่มีอิเล็กตรอนจำนวนเท่ากัน^[81]

ใน ธาตุ เฟอร์โรแมกเนติกเช่น เหล็ก โคบอลต์ และนิกเกิล จำนวนอิเล็กตรอนที่คี่จะนำไปสู่อิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่และโมเมนต์แม่เหล็กโดยรวมสุทธิ วงโคจรของอะตอมข้างเคียงจะทับซ้อนกันและบรรลุสถานะพลังงานที่ต่ำกว่าเมื่อสปินของอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่เรียงกัน ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติที่เรียกว่าปฏิสัมพันธ์แลกเปลี่ยนเมื่อโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมเฟอร์โรแมกเนติกเรียงกัน วัสดุจะสามารถสร้างสนามมหภาคที่วัดได้วัสดุพาราแมกเนติกมีอะตอมที่มีโมเมนต์แม่เหล็กที่เรียงกันในทิศทางสุ่มเมื่อไม่มีสนามแม่เหล็ก แต่โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมแต่ละอะตอมจะเรียงกันเมื่อมีสนามแม่เหล็ก^{[81] [82]}

นิวเคลียสของอะตอมจะไม่มีสปินเมื่อมีจำนวนนิวตรอนและโปรตอนเป็นจำนวนคู่ แต่ในกรณีอื่น ๆ ของจำนวนคี่ นิวเคลียสอาจมีสปิน โดยปกติแล้ว นิวเคลียสที่มีสปินจะเรียงตัวกันในทิศทางสุ่มเนื่องจากสมดุลทางความร้อนแต่สำหรับธาตุบางชนิด (เช่นซีนอน-129 ) เป็นไปได้ที่จะ ทำให้สถานะสปินของนิวเคลียส มีโพลาไรเซชันจำนวนมากเพื่อให้เรียงตัวกันในทิศทางเดียวกัน ซึ่งเป็นสภาวะที่เรียกว่าไฮเปอร์โพลาไรเซชันซึ่งมีประโยชน์อย่างมากใน การถ่าย ภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า^{[83] [84]}

พลังงานศักย์ของอิเล็กตรอนในอะตอมมีค่าเป็นลบเมื่อเทียบกับระยะห่างจากนิวเคลียสไปจนถึงอนันต์ ซึ่งการพึ่งพา ตำแหน่งของอิเล็กตรอนจะไปถึงจุดต่ำสุดภายในนิวเคลียส โดยจะแปรผกผันกับระยะห่างโดยประมาณในแบบจำลองกลศาสตร์ควอนตัม อิเล็กตรอนที่ถูกผูกมัดสามารถครอบครองชุดของสถานะที่อยู่ตรงกลางนิวเคลียสเท่านั้น และแต่ละสถานะจะสอดคล้องกับระดับพลังงาน ที่เฉพาะเจาะจง โปรดดูสมการชเรอดิงเงอร์ที่ไม่ขึ้นกับเวลาสำหรับคำอธิบายทางทฤษฎี ระดับพลังงานสามารถวัดได้จากปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการแยกอิเล็กตรอนออกจากอะตอม และโดยปกติแล้วจะระบุเป็นหน่วยอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) สถานะพลังงานต่ำสุดของอิเล็กตรอนที่ถูกผูกมัดเรียกว่าสถานะพื้นฐาน หรือสถานะคงที่ในขณะที่การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนไปยังระดับที่สูงกว่าจะส่งผลให้เกิดสถานะที่ถูกกระตุ้น^[85]พลังงานของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นพร้อมกับnเนื่องจากระยะทาง (โดยเฉลี่ย) ไปยังนิวเคลียสเพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับℓไม่ได้เกิดจากศักย์ไฟฟ้าสถิตของนิวเคลียส แต่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอน

เพื่อให้อิเล็กตรอนเปลี่ยนสถานะระหว่างสองสถานะที่แตกต่างกันเช่น จากสถานะพื้นฐานไปเป็นสถานะที่กระตุ้น ครั้งแรก อิเล็กตรอน จะต้องดูดซับหรือปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับความแตกต่างของพลังงานศักย์ของระดับเหล่านั้น ตาม แบบจำลอง ของนีลส์ โบร์ซึ่งสามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำด้วยสมการของชเรอดิงเงอร์อิเล็กตรอนจะกระโดดระหว่างวงโคจรในลักษณะคล้ายอนุภาค ตัวอย่างเช่น หากโฟตอนตัวเดียวกระทบอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวเท่านั้นที่