Átomo

La idea básica de que la materia está compuesta de diminutas partículas indivisibles es una idea antigua que apareció en muchas culturas antiguas. Estas ideas antiguas se basaban en razonamientos filosóficos más que en evidencia científica, y la teoría atómica moderna no se basa en estos conceptos antiguos. ^{[ 2 ]} Dicho esto, la palabra átomo deriva del término utilizado por algunos filósofos griegos antiguos, atomos ("indivisible").

A principios del siglo XIX, John Dalton recopiló datos experimentales reunidos por él y otros científicos y descubrió un patrón conocido como la " ley de las proporciones múltiples ". Observó que en cualquier grupo de compuestos químicos que contienen dos elementos químicos específicos, la cantidad del elemento A por unidad de cantidad del elemento B varía entre estos compuestos en proporciones de números enteros pequeños . Este patrón sugería que cada elemento se combina con otros elementos en múltiplos de una unidad básica de peso, y que cada elemento posee una unidad de peso única. Dalton decidió llamar a estas unidades "átomos". ^{[ 5 ]}

Por ejemplo, existen dos tipos de óxido de estaño : uno es un polvo gris compuesto por un 88,1 % de estaño y un 11,9 % de oxígeno , y el otro es un polvo blanco compuesto por un 78,7 % de estaño y un 21,3 % de oxígeno. Ajustando estas cifras, en el polvo gris hay aproximadamente 13,5  g de oxígeno por cada 100  g de estaño, y en el polvo blanco hay aproximadamente 27  g de oxígeno por cada 100  g de estaño. 13,5 y 27 forman una proporción de 1:2. Dalton concluyó que en el óxido gris hay un átomo de oxígeno por cada átomo de estaño, y en el óxido blanco hay dos átomos de oxígeno por cada átomo de estaño ( SnO y SnO₂ ⁾ . ^{[ 6 ] [} ₇ ^]

Dalton también analizó los óxidos de hierro . Existe un tipo de óxido de hierro en forma de polvo negro, compuesto por un 78,1 % de hierro y un 21,9 % de oxígeno; y otro en forma de polvo rojo, compuesto por un 70,4 % de hierro y un 29,6 % de oxígeno. Ajustando estas cifras, en el polvo negro hay aproximadamente 28  g de oxígeno por cada 100  g de hierro, y en el polvo rojo, aproximadamente 42  g de oxígeno por cada 100  g de hierro. 28 y 42 forman una proporción de 2:3. Dalton concluyó que en estos óxidos, por cada dos átomos de hierro, hay dos o tres átomos de oxígeno, respectivamente. Estas sustancias se conocen hoy como _óxido de hierro(II) y óxido de hierro(III) , y sus fórmulas son FeO y Fe₂O₃ _, respectivamente . La fórmula del óxido de hierro(II) se escribe normalmente como FeO, pero como es una sustancia cristalina, también podríamos escribirla como Fe₂O₂ _, y _al compararla con Fe₂O₃ _{, se observa claramente la} ^proporción 2:3 del oxígeno. ^{[ 8 ] [} ₉ ^]

Como último ejemplo: el óxido nitroso tiene un 63,3 % de nitrógeno y un 36,7 % de oxígeno, el óxido nítrico un 44,05 % de nitrógeno y un 55,95 % de oxígeno, y el dióxido de nitrógeno un 29,5 % de nitrógeno y un 70,5 % de oxígeno. Ajustando estas cifras, en el óxido nitroso hay 80  g de oxígeno por cada 140 g de nitrógeno, en el óxido _nítrico  unos 160  g de oxígeno por cada 140 g de nitrógeno, y en el dióxido de  nitrógeno 320  g de oxígeno por cada 140 g de nitrógeno. 80, 160 y 320 forman una ^proporción  de 1:2:4. Las fórmulas respectivas para estos óxidos son N₂O , NO y NO₂ . ^{[ 10 ] [} ₁₁ ^]

En 1897, J.J. Thomson descubrió que los rayos catódicos pueden ser desviados por campos eléctricos y magnéticos, lo que significaba que los rayos catódicos no son una forma de luz, sino que están hechos de partículas con carga eléctrica, y su carga era negativa según la dirección en la que se desviaban las partículas. ^{[ 12 ]} Midió que estas partículas eran 1700 veces más ligeras que el hidrógeno (el átomo más ligero). ^{[ 13 ]} Llamó a estas nuevas partículas corpúsculos , pero más tarde se les cambió el nombre a electrones, ya que son las partículas que transportan electricidad. ^{[ 14 ]} Thomson también demostró que los electrones eran idénticos a las partículas emitidas por materiales fotoeléctricos y radiactivos. ^{[ 15 ]} Thomson explicó que una corriente eléctrica es el paso de electrones de un átomo a otro, y que cuando no hay corriente, los electrones se incrustan en los átomos. Esto, a su vez, significaba que los átomos no eran indivisibles como pensaban los científicos. El átomo estaba compuesto de electrones cuya carga negativa se equilibraba con alguna fuente de carga positiva para crear un átomo eléctricamente neutro. Los iones, explicó Thomson, deben ser átomos que tienen un exceso o una deficiencia de electrones. ^{[ 16 ]}

Los electrones en el átomo lógicamente debían estar equilibrados por una cantidad proporcional de carga positiva, pero Thomson no tenía idea de dónde provenía esta carga positiva, por lo que propuso tentativamente que estaba en todas partes del átomo, que tenía forma de esfera. Esta era la hipótesis matemáticamente más simple que se ajustaba a la evidencia disponible, o a la falta de ella. A partir de esto, Thomson imaginó que el equilibrio de las fuerzas electrostáticas distribuiría los electrones por toda la esfera de manera más o menos uniforme. ^{[ 17 ]} El modelo de Thomson es conocido popularmente como el modelo del pudín de pasas , aunque ni Thomson ni sus colegas usaron esta analogía. ^{[ 18 ]} El modelo de Thomson era incompleto, no podía predecir ninguna otra propiedad de los elementos, como los espectros de emisión y las valencias . Pronto quedó obsoleto con el descubrimiento del núcleo atómico .

Entre 1908 y 1913, Ernest Rutherford y sus colegas Hans Geiger y Ernest Marsden realizaron una serie de experimentos en los que bombardearon láminas delgadas de metal con un haz de partículas alfa . Lo hicieron para medir los patrones de dispersión de las partículas alfa. Detectaron que un pequeño número de partículas alfa se desviaban en ángulos mayores de 90°. Esto no debería haber sido posible según el modelo atómico de Thomson, cuyas cargas eran demasiado difusas para producir un campo eléctrico suficientemente fuerte. Las desviaciones deberían haber sido insignificantes. Rutherford propuso que la carga positiva del átomo se concentra en un pequeño volumen en el centro del átomo y que los electrones rodean este núcleo en una nube difusa. Este núcleo albergaba casi toda la masa del átomo. Solo una concentración de carga tan intensa, anclada por su gran masa, podría producir un campo eléctrico capaz de desviar las partículas alfa con tanta fuerza. ^{[ 19 ]}

Un problema en la mecánica clásica es que una partícula cargada acelerada irradia radiación electromagnética , lo que provoca que la partícula pierda energía cinética . El movimiento circular cuenta como aceleración, lo que significa que un electrón que orbita una carga central debería caer en espiral hacia ese núcleo a medida que pierde velocidad. En 1913, el físico Niels Bohr propuso un nuevo modelo en el que se suponía que los electrones de un átomo orbitaban el núcleo, pero solo podían hacerlo en un conjunto finito de órbitas, y podían saltar entre estas órbitas solo en cambios discretos de energía correspondientes a la absorción o radiación de un fotón . ^{[ 20 ]} Esta cuantización se utilizó para explicar por qué las órbitas de los electrones son estables y por qué los elementos absorben y emiten radiación electromagnética en espectros discretos. ^{[ 21 ]} El modelo de Bohr solo podía predecir los espectros de emisión del hidrógeno, no de átomos con más de un electrón.

En 1815, William Prout observó que los pesos atómicos de muchos elementos eran múltiplos del peso atómico del hidrógeno, lo cual es cierto para todos ellos si se tienen en cuenta los isótopos . En 1898, J.J. Thomson descubrió que la carga positiva de un ion de hidrógeno es igual a la carga negativa de un electrón, y estas eran entonces las partículas cargadas más pequeñas conocidas. ^{[ 22 ]} Posteriormente, Thomson descubrió que la carga positiva en un átomo es un múltiplo positivo de la carga negativa de un electrón. ^{[ 23 ]} En 1913, Henry Moseley descubrió que las frecuencias de las emisiones de rayos X de un átomo excitado eran una función matemática de su número atómico y la carga nuclear del hidrógeno. En 1919, Rutherford bombardeó gas nitrógeno con partículas alfa y detectó iones de hidrógeno emitidos por el gas, concluyendo que se producían por partículas alfa que chocaban y dividían los núcleos de los átomos de nitrógeno. ^{[ 24 ]}

Estas observaciones llevaron a Rutherford a concluir que el núcleo de hidrógeno es una partícula singular con una carga positiva igual a la carga negativa del electrón. ^{[ 25 ]} En 1920, denominó a esta partícula " protón ". ^{[ 26 ]} Se descubrió que el número de protones en un átomo (que Rutherford llamó " número atómico " ^{[ 27 ] [ 28 ]} ) era igual al número ordinal del elemento en la tabla periódica y, por lo tanto, proporcionaba una forma sencilla y clara de distinguir los elementos entre sí. El peso atómico de cada elemento es mayor que su número de protones, por lo que Rutherford hipotetizó que el peso excedente era soportado por partículas desconocidas sin carga eléctrica y con una masa igual a la del protón.

En 1928, Walter Bothe observó que el berilio emitía una radiación eléctricamente neutra y altamente penetrante al ser bombardeado con partículas alfa. Posteriormente se descubrió que esta radiación podía arrancar átomos de hidrógeno de la parafina . Inicialmente se pensó que se trataba de radiación gamma de alta energía , dado que la radiación gamma tenía un efecto similar en los electrones de los metales, pero James Chadwick descubrió que el efecto de ionización era demasiado fuerte para que se debiera a radiación electromagnética, siempre que la energía y el momento se conservaran en la interacción. En 1932, Chadwick expuso varios elementos, como el hidrógeno y el nitrógeno, a la misteriosa "radiación de berilio", y al medir las energías de las partículas cargadas de retroceso, dedujo que la radiación estaba compuesta en realidad por partículas eléctricamente neutras que no podían carecer de masa como el rayo gamma, sino que debían tener una masa similar a la de un protón. Chadwick denominó a estas partículas neutrones de Rutherford. ^{[ 29 ]}

En 1925, Werner Heisenberg publicó la primera formulación matemática consistente de la mecánica cuántica ( mecánica matricial ). ^{[ 30 ]} Un año antes, Louis de Broglie había propuesto que todas las partículas se comportan como ondas hasta cierto punto, ^{[ 31 ]} y en 1926 Erwin Schrödinger usó esta idea para desarrollar la ecuación de Schrödinger , que describe los electrones como formas de onda tridimensionales en lugar de puntos en el espacio. ^{[ 32 ]} Una consecuencia de usar formas de onda para describir partículas es que es matemáticamente imposible obtener valores precisos tanto para la posición como para el momento de una partícula en un punto dado en el tiempo. Esto se conoció como el principio de incertidumbre , formulado por Werner Heisenberg en 1927. ^{[ 30 ]} En este concepto, para una precisión dada en la medición de una posición, solo se podría obtener un rango de valores probables para el momento, y viceversa. ^{[ 33 ]} Así, el modelo planetario del átomo fue descartado en favor de uno que describía zonas orbitales atómicas alrededor del núcleo donde es más probable encontrar un electrón determinado. ^{[ 34 ] [ 35 ]} Este modelo pudo explicar observaciones del comportamiento atómico que los modelos anteriores no podían, como ciertos patrones estructurales y espectrales de átomos más grandes que el hidrógeno.

Aunque la palabra átomo originalmente designaba una partícula que no se puede dividir en partículas más pequeñas, en el uso científico moderno el átomo está compuesto por diversas partículas subatómicas . Las partículas constituyentes de un átomo son el electrón , el protón y el neutrón .

El electrón es la menos masiva de estas partículas por cuatro órdenes de magnitud.9,11 × 10⁻³¹ kg  , con una carga eléctrica negativa y un tamaño demasiado pequeño para ser medido con las técnicas disponibles. ^{[ 36 ] Fue} la partícula más ligera con masa en reposo positiva medida, hasta el descubrimiento de la masa del neutrino . En condiciones normales, los electrones están ligados al núcleo con carga positiva por la atracción creada por las cargas eléctricas opuestas. Los electrones se conocen desde finales del siglo XIX, principalmente gracias a J.J. Thomson ; véase la historia de la física subatómica para más detalles.

Los protones tienen una carga positiva y una masa de1,6726 × 10 ⁻²⁷  kg . El número de protones en un átomo se llama su número atómico . Ernest Rutherford (1919) observó que el nitrógeno bajo bombardeo de partículas alfa expulsa lo que parecían ser núcleos de hidrógeno. Para 1920, había aceptado que el núcleo de hidrógeno es una partícula distinta dentro del átomo y lo llamó protón .

Los neutrones no tienen carga eléctrica y tienen una masa de1,6749 × 10 ⁻²⁷  kg . ^{[ 37 ] [ 38 ]} Los neutrones son las más pesadas de las tres partículas constituyentes, pero su masa puede reducirse por la energía de enlace nuclear . Los neutrones y los protones (conocidos colectivamente como nucleones ) tienen dimensiones comparables, del orden de2,5 × 10 ⁻¹⁵  m —aunque la «superficie» de estas partículas no está claramente definida. ^{[ 39 ]} El neutrón fue descubierto en 1932 por el físico inglés James Chadwick .

En el Modelo Estándar de la física, los electrones son partículas elementales sin estructura interna, mientras que los protones y neutrones son partículas compuestas por partículas elementales llamadas quarks . En los átomos existen dos tipos de quarks, cada uno con una carga eléctrica fraccionaria. Los protones están compuestos por dos quarks arriba (cada uno con carga +2/3 ) y un quark abajo ( con carga -1/3 ) . Los neutrones constan de un quark arriba y dos quarks abajo. Esta distinción explica la diferencia ^de masa y carga entre ambas partículas ^{. [} 40 ^] [ ^{41 ]}

Los quarks se mantienen unidos por la interacción fuerte (o fuerza fuerte), mediada por los gluones . Los protones y neutrones, a su vez, se mantienen unidos entre sí en el núcleo por la fuerza nuclear , que es un residuo de la fuerza fuerte con propiedades de alcance ligeramente diferentes (véase el artículo sobre la fuerza nuclear para más información). El gluón pertenece a la familia de los bosones de gauge , partículas elementales que median las fuerzas físicas. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

Todos los protones y neutrones ligados en un átomo forman un pequeño núcleo atómico y se denominan colectivamente nucleones . El radio de un núcleo es aproximadamente igual a${\displaystyle 1.07{\sqrt[{3}]{A}}}$ femtómetros , donde${\displaystyle A}$es el número total de nucleones. ^{[ 42 ]} Esto es mucho menor que el radio del átomo, que es del orden de 10 ⁵  fm. Los nucleones están unidos por un potencial atractivo de corto alcance llamado fuerza fuerte residual . A distancias menores de 2,5  fm, esta fuerza es mucho más potente que la fuerza electrostática que hace que los protones con carga positiva se repelan entre sí. ^{[ 43 ]}

Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, denominado número atómico . Dentro de un mismo elemento, el número de neutrones puede variar, determinando así el isótopo de dicho elemento. El número total de protones y neutrones determina el nucleido . La proporción de neutrones con respecto a los protones determina la estabilidad del núcleo, y ciertos isótopos experimentan desintegración radiactiva . ^{[ 44 ]}

El protón, el electrón y el neutrón se clasifican como fermiones . Los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli, que prohíbe que fermiones idénticos , como varios protones, ocupen el mismo estado cuántico simultáneamente. Por lo tanto, cada protón en el núcleo debe ocupar un estado cuántico diferente al de todos los demás protones, y lo mismo se aplica a todos los neutrones del núcleo y a todos los electrones de la nube electrónica. ^{[ 45 ]}

Un núcleo con un número diferente de protones que de neutrones puede potencialmente descender a un estado de menor energía mediante una desintegración radiactiva que provoca que el número de protones y neutrones se iguale. Como resultado, los átomos con un número igual de protones y neutrones son más estables frente a la desintegración, pero a medida que aumenta el número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción creciente de neutrones para mantener la estabilidad del núcleo. ^{[ 45 ]}

El número de protones y neutrones en el núcleo atómico puede modificarse, aunque esto puede requerir energías muy altas debido a la fuerza fuerte. La fusión nuclear ocurre cuando múltiples partículas atómicas se unen para formar un núcleo más pesado, como por ejemplo mediante la colisión energética de dos núcleos. Por ejemplo, en el núcleo del Sol, los protones requieren energías de 3 a 10  keV para superar su repulsión mutua —la barrera de Coulomb— y fusionarse en un solo núcleo. ^{[ 46 ]} La fisión nuclear es el proceso opuesto, que provoca que un núcleo se divida en dos núcleos más pequeños, generalmente mediante desintegración radiactiva. El núcleo también puede modificarse mediante el bombardeo de partículas subatómicas o fotones de alta energía. Si esto modifica el número de protones en un núcleo, el átomo cambia a un elemento químico diferente. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

Si la masa del núcleo resultante de una reacción de fusión es menor que la suma de las masas de las partículas individuales, la diferencia entre estos dos valores puede emitirse como un tipo de energía utilizable (como un rayo gamma o la energía cinética de una partícula beta ), tal como lo describe la fórmula de equivalencia masa-energía de Albert Einstein , E = mc² ^, donde m es la pérdida de masa y c es la velocidad de la luz . Este déficit forma parte de la energía de enlace del nuevo núcleo, y es la pérdida irrecuperable de energía la que provoca que las partículas fusionadas permanezcan juntas en un estado que requiere esta energía para separarse. ^{[ 49 ]}

La fusión de dos núcleos que crean núcleos más grandes con números atómicos menores que el hierro y el níquel —un número total de nucleones de aproximadamente 60— suele ser un proceso exotérmico que libera más energía de la necesaria para unirlos. ^{[ 50 ]} Es este proceso de liberación de energía el que hace que la fusión nuclear en las estrellas sea una reacción autosostenible. Para núcleos más pesados, la energía de enlace por nucleón comienza a disminuir. Esto significa que un proceso de fusión que produce un núcleo con un número atómico superior a aproximadamente 26 y un número másico superior a aproximadamente 60 es un proceso endotérmico . Por lo tanto, los núcleos más masivos no pueden experimentar una reacción de fusión productora de energía que pueda sostener el equilibrio hidrostático de una estrella. ^{[ 45 ]}

The electrons in an atom are attracted to the protons in the nucleus by the electromagnetic force. This force binds the electrons inside an electrostaticpotential well surrounding the smaller nucleus, which means that an external source of energy is needed for the electron to escape. The closer an electron is to the nucleus, the greater the attractive force. Hence electrons bound near the center of the potential well require more energy to escape than those at greater separations.

Electrons, like other particles, have properties of both a particle and a wave. The electron cloud is a region inside the potential well where each electron forms a type of three-dimensional standing wave—a wave form that does not move relative to the nucleus. This behavior is defined by an atomic orbital, a mathematical function that characterises the probability that an electron appears to be at a particular location when its position is measured.^[51] Only a discrete (or quantized) set of these orbitals exist around the nucleus, as other possible wave patterns rapidly decay into a more stable form.^[52] Orbitals can have one or more ring or node structures, and differ from each other in size, shape and orientation.^[53]

Each atomic orbital corresponds to a particular energy level of the electron. The electron can change its state to a higher energy level by absorbing a photon with sufficient energy to boost it into the new quantum state. Likewise, through spontaneous emission, an electron in a higher energy state can drop to a lower energy state while radiating the excess energy as a photon. These characteristic energy values, defined by the differences in the energies of the quantum states, are responsible for atomic spectral lines.^[52]

La cantidad de energía necesaria para eliminar o añadir un electrón —la energía de enlace electrónico— es mucho menor que la energía de enlace de los nucleones . Por ejemplo, se requieren solo 13,6  eV para extraer un electrón del estado fundamental de un átomo de hidrógeno, ^{[ 54 ]} en comparación con 2,23 millones de eV para dividir un núcleo de deuterio . ^{[ 55 ]} Los átomos son eléctricamente neutros si tienen el mismo número de protones y electrones. Los átomos que tienen un déficit o un superávit de electrones se denominan iones . Los electrones más alejados del núcleo pueden transferirse a otros átomos cercanos o compartirse entre átomos. Mediante este mecanismo, los átomos pueden unirse para formar moléculas y otros tipos de compuestos químicos, como cristales de red iónicos y covalentes . ^{[ 56 ]} 

Por definición, dos átomos cualesquiera con un número idéntico de protones en sus núcleos pertenecen al mismo elemento químico . Los átomos con igual número de protones pero diferente número de neutrones son diferentes isótopos del mismo elemento. Por ejemplo, todos los átomos de hidrógeno admiten exactamente un protón, pero existen isótopos sin neutrones ( hidrógeno-1 , con mucho la forma más común, ^{[ 57 ]} también llamado protio), un neutrón ( deuterio ), dos neutrones ( tritio ) y más de dos neutrones . Los elementos conocidos forman un conjunto de números atómicos, desde el elemento de un solo protón hidrógeno hasta el elemento de 118 protones oganesón . ^{[ 58 ]} Todos los isótopos conocidos de elementos con números atómicos mayores que 82 son radiactivos, aunque la radiactividad del elemento 83 ( bismuto ) es tan leve que resulta prácticamente despreciable. ^{[ 59 ] [ 60 ]}

Aproximadamente 339 nucleidos se encuentran naturalmente en la Tierra , ^{[ 61 ]} de los cuales 251 (aproximadamente el 74%) no se han observado desintegrar y se denominan " isótopos estables ". Solo 90 nucleidos son estables teóricamente , mientras que otros 161 (que llevan el total a 251) no se han observado desintegrar, aunque en teoría es energéticamente posible. Estos también se clasifican formalmente como "estables". Otros 35 nucleidos radiactivos tienen vidas medias superiores a 100 millones de años y son lo suficientemente longevos como para haber estado presentes desde el nacimiento del Sistema Solar . Esta colección de 286 nucleidos se conoce como nucleidos primordiales . Finalmente, se sabe que otros 53 nucleidos de corta vida se encuentran naturalmente, como productos hijos de la desintegración de nucleidos primordiales (como el radio del uranio ), o como productos de procesos energéticos naturales en la Tierra, como el bombardeo de rayos cósmicos (por ejemplo, el carbono-14). ^{[ 62 ] [ nota 1 ]}

Para 80 de los elementos químicos, existe al menos un isótopo estable . Por regla general, cada uno de estos elementos tiene solo unos pocos isótopos estables, con un promedio de 3,1 isótopos estables por elemento. Veintiséis " elementos monoisotópicos " tienen un solo isótopo estable, mientras que el mayor número de isótopos estables observados para un elemento es diez, en el caso del estaño . Los elementos 43 , 61 y todos los elementos numerados a partir del 83 no tienen isótopos estables. ^{[ 63 ] : 1–12}

La estabilidad de los isótopos se ve afectada por la proporción de protones y neutrones, así como por la presencia de ciertos "números mágicos" de neutrones o protones que representan capas cuánticas cerradas y llenas. Estas capas cuánticas corresponden a un conjunto de niveles de energía dentro del modelo de capas del núcleo; las capas llenas, como la capa llena de 50 protones para el estaño, confieren una estabilidad inusual al nucleido. De los 251 nucleidos estables conocidos, solo cuatro tienen un número impar de protones y un número impar de neutrones: hidrógeno-2 ( deuterio ), litio-6 , boro-10 y nitrógeno-14 . ( El tantalio-180m es impar-impar y observacionalmente estable, pero se predice que se desintegra con una vida media muy larga). Además, solo cuatro nucleidos impar-impar radiactivos de origen natural tienen una vida media superior a mil millones de años: potasio-40 , vanadio-50 , lantano-138 y lutecio-176 . La mayoría de los núcleos impar-impar son altamente inestables con respecto a la desintegración beta , porque los productos de la desintegración son par-par y, por lo tanto, están más fuertemente ligados, debido a los efectos de apareamiento nuclear . ^{[ 64 ]}

La mayor parte de la masa de un átomo proviene de los protones y neutrones que lo componen. El número total de estas partículas (llamadas "nucleones") en un átomo se denomina número másico . Es un número entero positivo y adimensional (en lugar de tener dimensión de masa), ya que expresa una cantidad. Un ejemplo del uso del número másico es el "carbono-12", que tiene 12 nucleones (seis protones y seis neutrones).

La masa real de un átomo en reposo se suele expresar en daltons (Da), también llamados unidad unificada de masa atómica (u). Esta unidad se define como una doceava parte de la masa de un átomo neutro libre de carbono-12 , que es aproximadamente1,66 × 10 ⁻²⁷  kg . ^{[ 65 ]} El hidrógeno-1 (el isótopo más ligero del hidrógeno, que también es el nucleido con la masa más baja) tiene un peso atómico de 1,007825  Da. ^{[ 66 ]} El valor de este número se llama masa atómica . Un átomo dado tiene una masa atómica aproximadamente igual (dentro del 1%) a su número másico multiplicado por el dalton (por ejemplo, la masa de un nitrógeno-14 es aproximadamente 14  Da), pero este número no será exactamente un entero excepto (por definición) en el caso del carbono-12. ^{[ 67 ]} El átomo estable más pesado es el plomo-208, ^{[ 59 ]} con una masa de207,976 6521  Da . ^{[ 68 ]}

Como incluso los átomos más masivos son demasiado ligeros para trabajar directamente con ellos, los químicos utilizan la unidad de moles . Un mol de átomos de cualquier elemento siempre tiene el mismo número de átomos (aproximadamente6,022 × 10²³ ). Este número se eligió de modo que si un elemento tiene una masa atómica de 1 ^u  , un mol de átomos de ese elemento tenga una masa cercana a un gramo. Debido a la definición del dalton , cada átomo de carbono-12 tiene una masa atómica de exactamente 12 Da, por lo que un mol de átomos de carbono-12 pesa exactamente 0,012 kg. ^{[ 65 ]}

Los átomos carecen de un límite exterior bien definido, por lo que sus dimensiones se suelen describir en términos de un radio atómico . Este es una medida de la distancia a la que se extiende la nube electrónica desde el núcleo. ^{[ 69 ]} Esto supone que el átomo presenta una forma esférica, lo cual solo se cumple para los átomos en el vacío o el espacio libre. Los radios atómicos pueden derivarse de las distancias entre dos núcleos cuando los dos átomos están unidos por un enlace químico . El radio varía con la ubicación de un átomo en la carta atómica, el tipo de enlace químico, el número de átomos vecinos ( número de coordinación ) y una propiedad mecánica cuántica conocida como espín . ^{[ 70 ]} En la tabla periódica de los elementos, el tamaño del átomo tiende a aumentar al moverse hacia abajo en las columnas, pero disminuye al moverse a través de las filas (de izquierda a derecha). ^{[ 71 ]} En consecuencia, el átomo más pequeño es el helio con un radio de 32 pm , mientras que uno de los más grandes es el cesio con 225 pm. ^{[ 72 ]}  

Cuando se somete a fuerzas externas, como campos eléctricos , la forma de un átomo puede desviarse de la simetría esférica . La deformación depende de la magnitud del campo y del tipo orbital de los electrones de la capa externa, como lo demuestran las consideraciones de la teoría de grupos . Por ejemplo, en los cristales pueden producirse desviaciones asféricas , donde pueden aparecer grandes campos cristaloeléctricos en sitios de red de baja simetría . ^{[ 73 ] [ 74 ]} Se ha demostrado que se producen deformaciones elipsoidales significativas para los iones de azufre ^{[ 75 ]} y los iones de calcógeno ^{[ 76 ]} en compuestos de tipo pirita .

Las dimensiones atómicas son miles de veces más pequeñas que las longitudes de onda de la luz (400–700 nm ), por lo que no se pueden ver con un microscopio óptico , aunque los átomos individuales se pueden observar con un microscopio de efecto túnel . Para visualizar la pequeñez del átomo, considérese que un cabello humano típico tiene aproximadamente 1 millón de átomos de carbono de ancho. ^{[ 77 ]} Una sola gota de agua contiene aproximadamente 2 sextillones (   2 × 10 ²¹ ) átomos de oxígeno y el doble de átomos de hidrógeno. ^{[ 78 ]} Un diamante de un solo quilate con una masa de2 × 10⁻⁴ kg  contienen aproximadamente 10  sextillones ( ^{10²² ) de} átomos de carbono . ^{[ nota 2 ]} Si una manzana se ampliara al tamaño de la Tierra, los átomos en la manzana serían aproximadamente del tamaño de la manzana original. ^{[ 79 ]}

Cada elemento tiene uno o más isótopos con núcleos inestables que se desintegran radiactivamente, lo que provoca que el núcleo emita partículas o radiación electromagnética. La radiactividad puede ocurrir cuando el radio de un núcleo es grande en comparación con el radio de la fuerza nuclear fuerte, que solo actúa a distancias del orden de 1  fm. ^{[ 80 ]}

Las formas más comunes de desintegración radiactiva son: ^{[ 81 ] [ 82 ]}

• 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.^[80]

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 1⁄2 ħ, or "spin-1⁄2". 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.^[83]

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.^[84]

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.^[84][85]

El núcleo de un átomo no tendrá espín cuando tenga un número par de neutrones y protones, pero en otros casos con números impares, el núcleo puede tener espín. Normalmente, los núcleos con espín se alinean en direcciones aleatorias debido al equilibrio térmico , pero para ciertos elementos (como el xenón-129 ) es posible polarizar una proporción significativa de los estados de espín nuclear de manera que se alineen en la misma dirección, una condición llamada hiperpolarización . Esto tiene importantes aplicaciones en la resonancia magnética . ^{[ 86 ] [ 87 ]}

La energía potencial de un electrón en un átomo es negativa en relación con cuando la distancia al núcleo tiende a infinito ; su dependencia de la posición del electrón alcanza un mínimo dentro del núcleo, aproximadamente en proporción inversa a la distancia. En el modelo cuántico-mecánico, un electrón ligado solo puede ocupar un conjunto de estados centrados en el núcleo, y cada estado corresponde a un nivel de energía específico ; véase la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para una explicación teórica. Un nivel de energía se puede medir por la cantidad de energía necesaria para desvincular el electrón del átomo, y generalmente se da en unidades de electronvoltios (eV). El estado de energía más bajo de un electrón ligado se llama estado fundamental, es decir, estado estacionario , mientras que una transición de un electrón a un nivel superior da como resultado un estado excitado. ^{[ 88 ]} La energía del electrón aumenta junto con n porque la distancia (promedio) al núcleo aumenta. La dependencia de la energía con ℓ no se debe al potencial electrostático del núcleo, sino a la interacción entre electrones.

Para que un electrón transite entre dos estados diferentes , por ejemplo, del estado fundamental al primer estado excitado , debe absorber o emitir un fotón con una energía igual a la diferencia de energía potencial entre esos niveles, según el modelo de Niels Bohr , lo cual puede calcularse con precisión mediante la ecuación de Schrödinger . Los electrones saltan entre orbitales como partículas. Por ejemplo, si un solo fotón incide sobre los electrones, solo un electrón cambia de estado en respuesta al fotón; véase Propiedades del electrón .

La energía de un fotón emitido es proporcional a su frecuencia , por lo que estos niveles de energía específicos aparecen como bandas distintas en el espectro electromagnético . ^{[ 89 ]} Cada elemento tiene un espectro característico que puede depender de la carga nuclear, las subcapas llenas por electrones, las interacciones electromagnéticas entre los electrones y otros factores. ^{[ 90 ]}

Cuando un espectro continuo de energía atraviesa un gas o plasma, algunos fotones son absorbidos por los átomos, lo que provoca que los electrones cambien su nivel de energía. Aquellos electrones excitados que permanecen ligados a su átomo emiten espontáneamente esta energía en forma de fotón, viajando en una dirección aleatoria, y así regresan a niveles de energía inferiores. De este modo, los átomos se comportan como un filtro que forma una serie de bandas de absorción oscuras en la emisión de energía. Un observador que contempla los átomos desde una perspectiva que no incluye el espectro continuo de fondo, ve en cambio una serie de líneas de emisión de los fotones emitidos por los átomos. Las mediciones espectroscópicas de la intensidad y el ancho de las líneas espectrales atómicas permiten determinar la composición y las propiedades físicas de una sustancia. ^{[ 91 ]}

Un examen detallado de las líneas espectrales revela que algunas presentan una división de estructura fina . Esto ocurre debido al acoplamiento espín-órbita , que es una interacción entre el espín y el movimiento del electrón más externo. ^{[ 92 ]} Cuando un átomo se encuentra en un campo magnético externo, las líneas espectrales se dividen en tres o más componentes; un fenómeno llamado efecto Zeeman . Esto se debe a la interacción del campo magnético con el momento magnético del átomo y sus electrones. Algunos átomos pueden tener múltiples configuraciones electrónicas con el mismo nivel de energía, que aparecen como una sola línea espectral. La interacción del campo magnético con el átomo desplaza estas configuraciones electrónicas a niveles de energía ligeramente diferentes, lo que da como resultado múltiples líneas espectrales. ^{[ 93 ]} La presencia de un campo eléctrico externo puede causar una división y un desplazamiento comparables de las líneas espectrales al modificar los niveles de energía de los electrones, un fenómeno llamado efecto Stark . ^{[ 94 ]}

Si un electrón ligado se encuentra en un estado excitado, un fotón que interactúa con él, con la energía adecuada, puede provocar la emisión estimulada de un fotón con un nivel de energía coincidente. Para que esto ocurra, el electrón debe descender a un estado de energía inferior cuya diferencia de energía coincida con la del fotón que interactúa. El fotón emitido y el fotón que interactúa se desplazan entonces en paralelo y con fases coincidentes. Es decir, los patrones de onda de ambos fotones se sincronizan. Esta propiedad física se utiliza para fabricar láseres , que pueden emitir un haz coherente de energía luminosa en una banda de frecuencia estrecha. ^{[ 95 ]}

La valencia es el poder de combinación de un elemento. Está determinada por el número de enlaces que puede formar con otros átomos o grupos. ^{[ 96 ]} La capa electrónica más externa de un átomo en su estado no combinado se conoce como capa de valencia , y los electrones en esa capa se llaman electrones de valencia . El número de electrones de valencia determina el comportamiento de enlace con otros átomos. Los átomos tienden a reaccionar químicamente entre sí de manera que llenan (o vacían) sus capas de valencia externas. ^{[ 97 ]} Por ejemplo, una transferencia de un solo electrón entre átomos es una aproximación útil para los enlaces que se forman entre átomos con un electrón más que una capa completa, y otros que tienen un electrón menos de una capa completa, como ocurre en el compuesto cloruro de sodio y otras sales iónicas químicas. Muchos elementos muestran valencias múltiples, o tendencias a compartir diferentes números de electrones en diferentes compuestos. Por lo tanto, el enlace químico entre estos elementos toma muchas formas de compartición de electrones que son más que simples transferencias de electrones. Algunos ejemplos son el elemento carbono y los compuestos orgánicos . ^{[ 98 ]}

Los elementos químicos suelen representarse en una tabla periódica diseñada para mostrar propiedades químicas recurrentes, y los elementos con el mismo número de electrones de valencia forman un grupo alineado en la misma columna de la tabla. (Las filas horizontales corresponden al llenado de una capa cuántica de electrones). Los elementos situados en el extremo derecho de la tabla tienen su capa externa completamente llena de electrones, lo que da lugar a elementos químicamente inertes conocidos como gases nobles . ^{[ 99 ] [ 100 ]}

Las cantidades de átomos se encuentran en diferentes estados de la materia que dependen de las condiciones físicas, como la temperatura y la presión . Al variar las condiciones, los materiales pueden transitar entre sólidos , líquidos , gases y plasmas . ^{[ 101 ]} Dentro de un estado, un material también puede existir en diferentes alótropos . Un ejemplo de esto es el carbono sólido, que puede existir como grafito o diamante . ^{[ 102 ]} También existen alótropos gaseosos, como el dioxígeno y el ozono .

A temperaturas cercanas al cero absoluto , los átomos pueden formar un condensado de Bose-Einstein , momento en el que los efectos cuánticos, que normalmente solo se observan a escala atómica, se hacen evidentes a escala macroscópica. ^{[ 103 ] [ 104 ]} Esta colección de átomos superenfriados se comporta entonces como un único superátomo , lo que puede permitir comprobaciones fundamentales del comportamiento cuántico. ^{[ 105 ]}

Se cree que los electrones existen en el Universo desde las primeras etapas del Big Bang . Los núcleos atómicos se forman en reacciones de nucleosíntesis . En aproximadamente tres minutos, la nucleosíntesis del Big Bang produjo la mayor parte del helio , litio y deuterio del Universo, y quizás algo de berilio y boro . ^{[ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]}

La ubicuidad y estabilidad de los átomos dependen de su energía de enlace , lo que significa que un átomo tiene una energía menor que un sistema no ligado de núcleo y electrones. Cuando la temperatura es mucho mayor que el potencial de ionización , la materia existe en forma de plasma : un gas de iones con carga positiva (posiblemente, núcleos desnudos) y electrones. Cuando la temperatura desciende por debajo del potencial de ionización, los átomos se vuelven estadísticamente favorables. Los átomos (con electrones ligados) llegaron a dominar sobre las partículas cargadas 380 000  años después del Big Bang, una época llamada recombinación , cuando el Universo en expansión se enfrió lo suficiente como para permitir que los electrones se unieran a los núcleos. ^{[ 120 ]}

Desde el Big Bang, que no produjo carbono ni elementos más pesados , los núcleos atómicos se han combinado en las estrellas mediante el proceso de fusión nuclear para producir más helio y (a través del proceso triple alfa ) la secuencia de elementos desde el carbono hasta el hierro ; ^{[ 121 ]} véase la nucleosíntesis estelar para más detalles.

Isótopos como el litio-6, así como algunos tipos de berilio y boro, se generan en el espacio mediante espalación de rayos cósmicos . ^{[ 122 ]} Esto ocurre cuando un protón de alta energía choca contra un núcleo atómico, provocando la eyección de un gran número de nucleones.

Los elementos más pesados ​​que el hierro se produjeron en supernovas y estrellas de neutrones en colisión mediante el proceso r , y en estrellas AGB mediante el proceso s , ambos implican la captura de neutrones por núcleos atómicos. ^{[ 123 ]} Elementos como el plomo se formaron principalmente a través de la desintegración radiactiva de elementos más pesados. ^{[ 124 ]}

La mayoría de los átomos que componen la Tierra y sus habitantes estaban presentes en su forma actual en la nebulosa que colapsó a partir de una nube molecular para formar el Sistema Solar . El resto son el resultado de la desintegración radiactiva, y su proporción relativa puede utilizarse para determinar la edad de la Tierra mediante datación radiométrica . ^{[ 125 ] [ 126 ]} La mayor parte del helio en la corteza terrestre (alrededor del 99 % del helio de los pozos de gas, como lo demuestra su menor abundancia de helio-3 ) es producto de la desintegración alfa . ^{[ 127 ]}

Hay algunos átomos traza en la Tierra que no estaban presentes al principio (es decir, no "primordiales"), ni son resultados de la desintegración radiactiva. El carbono-14 es generado continuamente por los rayos cósmicos en la atmósfera. ^{[ 128 ]} Algunos átomos en la Tierra han sido generados artificialmente ya sea deliberadamente o como subproductos de reactores nucleares o explosiones. ^{[ 129 ] [ 130 ]} De los elementos transuránicos —aquellos con números atómicos mayores que 92— solo el plutonio y el neptunio se encuentran naturalmente en la Tierra. ^{[ 131 ] [ 132 ]} Los elementos transuránicos tienen vidas medias radiactivas más cortas que la edad actual de la Tierra ^{[ 133 ]} y, por lo tanto, cantidades identificables de estos elementos se han desintegrado hace mucho tiempo, con la excepción de trazas de plutonio-244 posiblemente depositadas por polvo cósmico. ^{[ 125 ]} Los depósitos naturales de plutonio y neptunio se producen por captura de neutrones en el mineral de uranio. ^{[ 134 ]}

La Tierra contiene aproximadamente1,33 × 10 ⁵⁰ átomos. ^{[ 135 ]} Aunque existen pequeñas cantidades de átomos independientes de gases nobles , como argón , neón y helio , el 99% de la atmósfera está ligada en forma de moléculas, incluyendo dióxido de carbono y oxígeno y nitrógeno diatómicos . En la superficie de la Tierra, una abrumadora mayoría de átomos se combinan para formar diversos compuestos, incluyendo agua , sal , silicatos y óxidos . Los átomos también pueden combinarse para crear materiales que no consisten en moléculas discretas, incluyendo cristales y metales líquidos o sólidos . ^{[ 136 ] [ 137 ]} Esta materia atómica forma disposiciones en red que carecen del tipo particular de orden interrumpido a pequeña escala asociado con la materia molecular. ^{[ 138 ]}