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原子

化學性質的最小單位
此條目介紹的是物理學中的原子。關於計算機科學中的原子操作，請見「原子操作」。關於暱稱為Atom的泰國男歌手，請見「查納坎·拉塔瑙敦」。關於尊稱為原子的人物、孔子的弟子，請見「原憲」。

原子（英語：atom）是構成化學元素的普通物質（英語：Matter#Definition）[2][3]的最小單位[4]；原子也是化學變化中最小的粒子及元素化學性質的最小單位。

原子
氦原子基態
氦原子（He）結構示意圖。圖中灰階顯示對應電子雲於1s原子軌域之機率密度函數的積分強度。而原子核僅為示意，紅色為質子、紫色為中子。事實上，原子核（與其中之核子的波函數）也是球型對稱的（對於更複雜的原子核則非如此）。黑條為1Å（10−10 米或100pm），小圖白條為1fm（10−15 米或千份一pm）。
分類
化學元素可分割的最小單元
性質
質量1.67×10−27至4.52×10−25 kg
電荷0（電中性，當原子的電子數與質子數相等時）或離子電荷
半徑25pm（H）至260pm（Cs）（數據頁（英語：Atomic radii of the elements (data page)））
組分電子和由質子與中子組成的緊密原子核
可觀測宇宙中的原子總數~1080[1]

一粒正原子包含有一粒緻密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負電的電子。而反原子的原子核帶負電，周圍的反電子帶「正電」。正原子的原子核由帶正電的質子和電中性的中子組成。反原子的原子核中的反質子帶負電，從而使反原子的原子核帶負電。當質子數與電子數相同時，這原子就是電中性，稱為中性原子[5]（英語：neutral atom）[6]；否則，就是帶有正電荷或者負電荷的離子。根據質子和中子數量的不同，原子的類型也不同：質子數決定了該原子屬於哪種元素，而中子數則確定了該原子是此元素的哪種同位素。

原子的英語 atom 是從古希臘語：ἄτομος（atomos，「不可切分的」）轉化而來。很早以前，希臘和印度的哲學家就提出了原子的不可切分的概念。 17和18世紀時，化學家發現了物理學的根據：對於某些物質，不能通過化學手段將其繼續的分解。 19世紀晚期和20世紀早期，物理學家發現了亞原子粒子以及原子的內部結構，由此證明原子並不是不能進一步切分。 量子力學原理能夠為原子提供很好的科學模型。 [7][8]

與日常體驗相比，原子是極小的物體，其質量也很微小，以至於只能以特殊儀器才能觀測到單粒原子，如掃描式穿隧電子顯微鏡。原子的99.9%的重量集中在原子核，[9]其中的質子和中子有着相近的質量。每種元素至少有一種不穩定的同位素，可以放射性衰變。這直接導致核轉化，即原子核中的中子數或質子數發生變化。[10]原子佔據一組穩定的能階，或稱為軌域。當它們吸收和放出中子的時候，中子也可以在不同能級之間跳躍，此時吸收或放出原子的能量與能級之間的能量差相等。電子決定元素的化學特性，並且對中子的磁性有很大的影響。

歷史

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主條目：原子理論

大約在兩千五百年前，希臘哲學家對物質的組成問題爭論不休。原子派認為物質在無數次分割之後，最終會小到無法分割。原子（atom）一詞源自希臘語，意思是「不可分割」。在1803年到1807年之間，英國化學家道爾頓發展了這些觀點並將它用在它的原子學說中。他相信原子既不能創造也不能消滅。任一元素所含的原子都一樣。[來源請求]

關於物質是由離散單元組成且能任意分割的概念流傳了幾千年，但這些想法只是基於抽象的、哲學的推理，而非實驗和實證觀察。隨着時間的推移以及文化及學派的轉變，哲學上原子的性質也有着很大的改變而這種改變往往還帶有一些精神因素。儘管如此，對於原子的基本概念在數千年後仍然有化學家採用，因為它能夠很簡潔闡述一些化學界的新發現。[11]

原子論

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原子論（英語：atomism，來自古希臘語 ἄτομον，atomos，含義為「不可分割」[12]）是在一些古代傳統中發展出的一種自然哲學[來源請求]。原子論者將自然世界理論化為由兩基本部分所構成：不可分割的原子和空無的虛空（void）[來源請求]。原子論的創始人是古希臘人留基伯，他是德謨克利特的老師。古代學者在論及原子論時,通常是把他們倆人的學說混在一起的。留基伯的學說由他的學生德謨克利特發展和完善，因此公認德謨克利特為原子論的主要代表[13]。

原子論的主要內容是：宇宙的本原是原子和虛空，原子不可構造且永恆不變。原子有兩種屬性：大小和形狀。它們在數量上是無限的。原子按一定的形狀、次序和位置，在空無（empty）中通過移動和碰撞，結合和分離，與一粒或以上其他原子相鈎結而形成聚簇（cluster）。不同形狀、排列和位置的聚簇構成世界上各種宏觀物質（substance）。德謨克利特認為，運用上述原子論的思想，就可以解釋世間萬物為什麼會有重量、形狀、尺寸等客觀特性；不僅如此，他還認為，另一些特性，比如氣味，只有當物體的原子和人鼻互相作用時才顯示出來。

對原子概念的記述可以上溯到古印度和古希臘。有人將印度的耆那教的原子論認定為開創者大雄在公元前6世紀提出，並將與其同時代的彼浮陀伽旃延和順世派先驅阿夷陀翅舍欽婆羅的元素思想也稱為原子論[來源請求]。正理派和勝論派後來發展出了原子如何組合成更複雜物體的理論[來源請求]。在西方，對原子的記述出現在公元前5世紀留基伯和德謨克利特的著作中。對於印度文化影響希臘還是反之，亦或二者獨立演化是有爭議[來源請求]。

科學理論

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直到化學作為一門科學開始發展的時候，對原子才有更進一步的理解。1661年，自然哲學家羅拔·波以耳出版了《懷疑的化學家》一書，書中他聲稱物質是由不同的「微粒」或原子自由組合構成的，而並不是由諸如氣、土、火、水等基本元素構成。[14]1789年，既是法國貴族，又是科學研究者的拉瓦錫定義了元素一詞，從此，元素就用來表示化學變化中的最小的單位。[15]

1803年道爾頓創立科學原子論，並在1803年12月與1804年1月在英國皇家學會作關於原子論的演講，其中全面闡釋了他的原子論思想。其要點為：1.化學元素均由不可再分的微粒組成。這種微粒稱為原子。原子在一切化學變化中均保持其不可再分性。2.同一元素的所有原子，在質量和性質上都相同；不同元素的原子，在質量和性質上都不相同。3.不同的元素化合時，這些元素的原子按簡單整數比結合成化合物。儘管從現在的觀點來看，道爾頓的觀點非常簡潔有力（當然存在着錯誤）但是由於缺乏實驗證據和表述不力，這一觀點直到20世紀初才獲廣泛接受。

現代原子理論

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道爾頓《化學哲學新體系》一書中描述的各種原子和分子。1808年

道爾頓的理想沒有涉及原子內部結構。隨後，在1897年，發現了第一粒亞原子粒子──電子。1911年，新西蘭物理學家盧瑟福發現每一粒原子都含有一粒比重很大並且帶正電的原子核，他隨後在1919年發現了原子核內部帶正電的質子。1932年英國物理學家查德威克發現不帶電的中子。現代化學認為原子由原子核及繞核旋轉的電子構成。原子核中含有許多質子和中子。質子和中子要比電子重約1836倍。質子的帶電量是一單位正電荷，電子是一單位負電荷，中子不帶電。

1803年，英語教師及自然哲學家約翰·道爾頓用原子的概念解釋了為什麼不同元素總是呈整數倍反應，即倍比定律；也解釋了為什麼某些氣體比另外一些更容易溶於水。他提出每一種元素只包含唯一一種原子，而這些原子相互結合起來就形成了化合物。[16][17]

1827年，英國植物學家羅拔·布朗在使用顯微鏡觀察水面上花粉的時候，發現它們的運動不規則，進一步證明了微粒學說。後來，這現象稱為布朗運動。德紹兒克思在1877年提出這種現象是由於水分子的熱運動而導致的。1905年，愛因斯坦提出了第一個數學分析的方法，證明了這猜想。[18][19][20]

在關於陰極射線的工作中，物理學家約瑟夫·湯姆生發現了電子以及它的亞原子特性，粉碎了一直以來認為原子不可再分的設想。[21]湯姆生認為電子是平均分佈在整粒原子上，就如同散佈在均勻的正電荷海洋中，它們的負電荷與那些正電荷相互抵消。這也叫做梅子布丁模型。

然而，在1909年，在物理學家盧瑟福的指導下，研究者們用氦離子轟擊金箔。他們意外的發現有很小一部分離子的偏轉角度遠遠大於使用湯姆生假設所預測值。盧瑟福根據這金箔實驗的結果提出原子中大部分質量和正電荷都集中在位於原子中心的原子核當中，電子則像行星圍繞太陽一樣圍繞着原子核。帶正電的氦離子在穿越原子核附近時，就會大角度被反射。[22]

1913年，放射化學家弗雷德里克·索迪在放射性衰變產物的實驗中發現元素週期表中各位置不只有一種原子。[23] 瑪格麗特·陶德創造了同位素一詞來表示同一種元素不同種類的原子。在研究離子氣體的過程中，湯姆生發明了一種新技術，可以用來分離不同同位素，最終導致了穩定同位素的發現。[24]

 
氫原子的玻爾模型，展示了一粒電子在兩條固定軌域之間躍遷並釋放出一粒特定頻率的光子。

與此同時，物理學家玻爾重新審視了盧瑟福的模型，他認為電子應該位於確定的軌域之中，並且能夠在不同軌域之間跳躍，而不是像先前認為那樣可以自由的向內或向外移動。電子在這些固定軌域間跳躍時，必須吸收或者釋放特定的能量。[25]當熱源產生的一束光穿過稜鏡時，能夠產生多彩的光譜。應用軌域躍遷的理論就能夠很好的解釋光譜中存在的位置不變的線條。[26]

1916年，吉爾伯特·路易斯發現化學鍵的本質就是兩粒原子間電子的相互作用。[27]眾所周之，元素的化學性質按照週期律反覆的循環。[28]1919年，美國化學家歐文·朗繆爾提出原子中的電子以某種性質相互連接或者說相互聚集。一組電子佔有一層特定的電子層。[29]

1926年，薛定諤用路易·德布羅意於1924年提出的波粒二象性假說，建立了原子的數學模型，用來將電子描述為三維波形。使用波形來描述電子的一個直接後果就是在數學上不能夠同時得到位置和動量的精確值，1926年，海森堡建立了相關的方程式，這也就是後來著名的不確定性原理。這概念描述的是，對於測量的某個位置，只能得到一個不確定的動量範圍，反之亦然。儘管這模型很難想像，但它能夠解釋一些以前觀測到卻不能解釋的原子的性質，例如比氫更大的原子的譜線。因此，人們不再使用原子的行星模型，而更傾向於將原子軌域視為電子存在機率的區域。[30][31]

 
質譜儀簡易原理圖

發明質譜使得科學家可以直接測量原子的準確質量。該設備使用磁體彎曲一束離子，而偏轉量取決於原子的質荷比。弗朗西斯·阿斯頓使用質譜證實了同位素有着不同的質量，並且同位素間的質量差都為整數，稱為整數規則。[32]1932年，詹姆斯·查德威克發現了中子，解釋了這問題。中子是中性的粒子，質量與質子相仿。同位素則重新定義為質子數相同而中子數不同的元素。[33]

1950年代，隨着粒子加速器及粒子探測器的發展，科學家們可以研究高能粒子間的碰撞。[34]他們發現中子和質子是強子的一種，由更小的夸克微粒構成。核物理的標準模型也隨之發展，能夠成功的在亞原子水平解釋整粒原子核以及亞原子粒子之間的相互作用。[35]

1985年左右，朱棣文及其同事在貝爾實驗室開發了一種新技術，能夠使用激光來冷卻原子。威廉·丹尼爾·菲利普斯團隊設法將鈉原子置於一個磁阱中。這兩個技術加上由克洛德·科昂-唐努德日團隊基於都卜勒效應開發的一種方法，可以將少量的原子冷卻至微開爾文的溫度範圍，這樣就可以很高精度研究原子，這也直接導致玻斯－愛因斯坦凝聚的發現。[36]

歷史上認為單一原子過於微小，不能以科學研究。最近，科學家已經成功用單一金屬原子與一粒有機配體連接形成單電子電晶體。[37]一些實驗用激光冷卻的方法將原子減速並捕獲，這些實驗能夠提升對物質的認知。[38]

原子的組成

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原子是由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子構成。原子核所帶的正電荷數（即核電荷數）與原子核外電子所帶的負電子數相等，故原子呈電中性。原子可以構成分子，也可以形成離子，也可以直接構成物質。

構成原子的三種粒子（質子、中子、電子）的基本數據：

原子的組成 原子核 電子
質子 中子
電性和電量 1粒質子帶1單位正電荷 電中性 1粒電子帶1單位負電荷
質量（kg）      
相對原子質量 1.007 1.008  

亞原子粒子

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主條目：亞原子粒子

儘管原子的英文名稱（atom）本意是不能繼續分割的最小粒子，但是在現代科學領域，原子實際上包含了很多不同的亞原子粒子：電子，質子和中子。氫-1原子和帶一粒正電荷的氫正離子例外，前者沒有中子，後者沒有電子。

質子有一粒正電荷，質量是電子質量的1836倍，為 公斤，然而部分質量可以轉化為原子結合能。中子不帶電荷，自由中子的質量是電子質量的1839倍，為 公斤。[39]中子和質子的尺寸相仿，均在 m這一數量級，但它們的表面並沒能精確定義。[40]

在物理學標準模型理論中，質子和中子都由名叫夸克的基本粒子構成。夸克是費米子的一種，也是構成物質的兩種基本組分之一。另一基本組份稱輕子，電子就是輕子的一種。夸克共有六種，每一種都帶有分數的電荷，不是 就是 。質子就是由兩粒上夸克和一粒下夸克組成，而中子則是由一粒上夸克和兩粒下夸克組成。這區別就解釋了為什麼中子和質子電荷和質量均有差別。夸克由強相互作用結合在一起的，由膠子作中介。膠子是規範玻色子的一員，是一種用來傳遞力的基本粒子。[41][42]

原子核

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主條目：原子核
 
不同同位素將核子連在一起所需的能量。

原子核是原子中所有的質子和中子構成的，結合起來很小，它們一起也可以稱為核子。質子帶正電荷，中子不顯電性，故原子核的正電荷由質子數決定。原子核的半徑約等於 fm其中 是核子的總數。[43]原子半徑的數量級大約是105fm，因此原子核半徑遠遠小於原子半徑。能在短距離上起作用的殘留強力將核子束縛在一起。當距離小於2.5fm的時候，強力遠遠大於靜電力，因此它能夠克服帶正電的質子間的相互排斥。[44]

同種元素的原子帶有相同數量的質子，這數也稱原子序。而對於某種特定的元素，中子數是可以變化的，這也就決定了該原子是這種元素的哪一種同位素。質子數量和中子數量決定了該原子是這種元素的哪一種核種。中子數決定了該原子的穩定程度，一些同位素能自發放射性衰變。[45]

中子和質子都是費米子的一種，根據量子力學中的鮑利不相容原理，不可能有完全相同的兩粒費米子同時擁有一樣量子物理態。因此，原子核每粒質子都佔用不同的能階，中子的情況也與此相同。不過鮑利不相容原理並沒有禁止質子和中子有相同量子態。[46]

 
核聚變示意圖，兩粒質子聚變生成有一粒質子和一粒中子的氘原子核，並放出正電子（電子的反物質）以及一粒電子微中子。

如果原子核的質子數和中子數不相同，該原子核很易放射性衰變到更低的能階，拉近質子數和中子數。因此，質子數和中子數相同或很相近的原子更加不易衰變。然而，當原子序逐漸增加時，質子間排斥力增強，需要更多中子來穩定原子核，所以對上述趨勢有所影響。原子序大於20時，就找不到質子數與中子數相等而又穩定的原子核了。隨着Z增加，中子和質子的比例逐漸趨於1.5。[46]

原子核中的質子數和中子數也是可以變化的，不過因為它們之間的力很強，所以需要很高的能量，當多粒粒子聚集形成更重的原子核時，就會發生核聚變，例如兩粒核之間的高能碰撞。在太陽的核心，質子需要3-10KeV的能量才能夠克服它們之間的相互排斥，也就是庫侖障壁，進而融合起來形成新的核。[47]與此相反的過程是核分裂，在核分裂中，一個核通常是經過放射性衰變，分裂成為兩粒更小的核。使用高能的亞原子粒子或光子轟擊也能夠改變原子核。如果在過程中，原子核的質子數變了，此原子就變成另一種元素的原子。[48][49]

如果核聚變後產生的原子核質量小於聚變前原子質量的總和，那麼根據愛因斯坦的質能方程式，質量的差就以能量形式釋放出來。這差別實際是原子核之間的結合能。[50]

對於兩粒原子序在鐵或鎳之前的原子核來說，它們之間的核聚變是放熱過程，也就是說過程釋放的能量大於將它們連在一起的能量。[51]正是因為如此，才確保了恆星中的核聚變能夠自我維持。對於更重一些的原子來說，結合能開始減少，也就是說它們的核聚變會是吸熱過程。因此，這些更重的原子不能以核聚變產能，也就不能夠維持恆星的流體靜力平衡。[46]

電子雲

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主條目：電子雲和原子軌域
 
勢阱顯示了要到每一個位置x所需要的最低能量 。如果粒子的能量為 ，它就限制在 和 間。

在原子中，電子和質子以電磁力相互吸引，也正是這道力將電子束縛在環繞着原子核的靜電位勢阱中，要從這勢阱中逃逸則需要外部能量。電子離原子核越近，吸引力則越大。因此，與外層電子相比，離核近的電子需要更多能量才能夠逃逸。[52]

原子軌域則是描述電子在核內的機率分佈的數學方程式。在實際中，只有一組離散的（或量子化的）軌域存在，其他可能的形式會很快的坍塌成更穩定的形式。[53]這些軌域可以有一個或以上的環或節點，並且它們的大小，形狀和空間方向都有不同。[54]

 
前五條原子軌域的波函數。三條2p軌域中的每條都有一粒角節點，因此有特定的朝向。它們都有一個最小值點在中心。

每條原子軌域都對應一粒電子的能階。電子可以吸收一粒有足夠能量的光子而躍遷到更高的能階。同樣，通過自發輻射，在高能階態的電子也可以躍遷回低能階態，放出光子。這些典型的能量，也就是不同量子態之間的能量差，可以用來解釋原子譜線。[53]

在原子核中除去或增加一粒電子所需要的能量遠遠小於核子的結合能，這些能量稱為電子結合能。例如：奪去氫原子中基態電子只需要13.6eV。[55]當電子數與質子數相等時，原子是電中性的。如果電子數大於或小於質子數時，該原子就會稱為離子。原子最外層電子可以移動至相鄰的原子，也可以由兩粒原子所共有。正是由於有了這種機理，原子才能夠鍵合形成分子或其他種類的化合物，例如離子或共價的網狀晶體。[56]

性質

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核性質

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主條目：同位素

根據定義，有相同質子數的原子即屬同一元素，質子數相同而中子數不同的則是同一元素的不同同位素。例如，所有的氫原子都只有一粒質子，但氫原子的同位素有幾種，分別含有零粒中子（氫-1，目前最常見的類型，有時也稱為氕），一粒中子（氘），兩粒中子（氚）以及更多中子。[57]原子序從1（氫）到118（Og）均為已知元素。[58]對於所有原子序數大於82的同位素都有放射性。[59][60]

地球上自然存在約339種核種，其中255種是穩定的，約佔總數79%。[61]80種元素有一種或以上的穩定同位素。第43號元素、第61號元素及所有原子序大於等於83的元素沒有穩定的同位素。有十六種元素只含有一個穩定的同位素，而擁有同位素最多的元素，錫，則有十個同位素。[62]

同位素的穩定性不只受到質子數與中子數之比的影響，也受到所謂幻數的影響，實際上幻數就代表了全滿的量子層。這些量子層對應於原子核層模型中一組能階。在已知的269種穩定核種中，只有四種同時有奇數粒質子和奇數粒中子。它們是2H, 6Li, 10B和14N；對於放射性核種來說，也只有5種奇－奇核種的半衰期超過一億年：40K, 50V, 138La,176Lu和180mTa。這是因為對於大多數奇－奇核種來說，很易會β衰變，產生更穩定的偶－偶核種。[62]

質量

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主條目：原子質量

因為原子質量的絕大部分是質子和中子的質量，所以質子和中子數量的總和叫做質量數。原子的靜止質量通常用統一原子質量單位（u）來表示，也稱作道爾頓（Da）。這單位定義為電中性的碳12質量的十二分之一，約為 公斤。[63]氫最輕的同位素氕是最輕的原子，重約1.007825u。[64]原子質量約是質量數與原子質量單位的乘積。[65]最重的穩定原子是鉛-208，[59]質量為207.9766521u。[66]就算是最重的原子，化學家也很難直接操作之，所以它們通常使用另一單位，摩爾，簡稱摩。摩的定義是對於任何元素，一摩總是有同樣數量的原子，約 。如果元素的原子質量為1u，一摩該原子的質量就為0.001kg，也就是1克。例如，碳的原子質量是12u，一摩碳的質量則是0.012kg。[63]

大小

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主條目：原子半徑

原子並沒有精確定義的最外層，只有當兩粒原子形成化學鍵後，測量兩粒原子核間的距離，才能得到原子半徑的近似值。影響原子半徑的因素很多，包括在元素週期表的位置，化學鍵的類型，周圍的原子數（配位數）以及自旋。[67]在元素週期表中，原子的半徑變化的大體趨勢是自上而下增加，而從左至右減少。[68]因此，最小的原子是氦，半徑32pm；最大的原子是銫，半徑為225pm。[69]因為這樣的尺寸遠遠小於可見光的波長（約400-700nm），所以不能夠通過光學顯微鏡來觀測它們。然而，使用掃描式穿隧電子顯微鏡我們能夠觀察到單粒原子。

可以看到：原子的體積很小。一根人的頭髮的直徑大約是一百萬粒原子。[70]一滴水則大約有二十垓（ ）粒氧原子以及兩倍的氫原子。[71]一克拉鑽石重量為 kg，含有約100垓粒碳原子。[72]如果蘋果放大到地球的大小，蘋果中的原子就大約有原來蘋果那麼大。[73]

放射性

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主條目：放射性
 
這個圖表展示了含有Z粒質子和N粒中子的同位素的半衰期（T½），單位是秒

每種元素都有一個或以上同位素有不穩定的原子核，從而能放射性衰變，在這個過程中，原子核可釋放出粒子或電磁輻射。原子核半徑大於強力的作用半徑時就可能會放射性衰變，而強力的作用半徑僅為幾飛米。[74]

最常見的放射性衰變如下：[75][76]

  • α衰變：原子核釋放一粒α粒子，即含有兩粒質子和兩粒中子的氦原子核。衰變產生原子序低一些的新元素。
  • β衰變：弱相互作用的現象，過程中中子轉變成質子或者質子轉變成中子。前者亦釋放一粒電子和一粒反微中子，後者則釋放一粒正電子和一粒微中子。所釋放的電子或正電子叫β粒子。因此，β衰變能夠使得該原子的原子序增加或減少一。
  • γ衰變：原子核的能階降低，釋放出電磁波輻射，通常在釋放了α粒子或β粒子後發生。

其它比較罕見的放射性衰變還包括：釋放中子或質子，釋放核子團或電子團，通過內轉換產生高速的電子而非β射線以及高能的光子而非伽瑪射線。

每一個放射性同位素都有一個特徵衰變期間，即半衰期。半衰期就是一半樣品發生衰變所需要的時間。這是一種指數衰減，即樣品在每一個半衰期內恆定的衰變50%，換句話說，當兩次半衰期之後，就只剩下25%的起始同位素了。[74]

磁矩

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主條目：電磁偶極矩和核磁矩

基本微粒都有一個固有性質，就像在宏觀物理中圍繞質心旋轉的物體都有角動量一樣，在量子力學叫自旋。但是嚴格來說，這些微粒僅僅是一些點，不能夠旋轉。自旋的單位是約化普朗克常數（ ），電子、質子和中子的自旋都是½ 。在原子裏，電子圍繞原子核運動，所以除了自旋，它們還有軌域角動量。而對於原子核來說，軌域角動量是起源於自身的自旋。[77]

正如旋轉的帶電物體能夠產生磁場一樣，原子所產生的磁場，即它的磁矩，就是由這些不同的角動量決定的。然後，自旋對它的影響應該是最大的。因為電子的一個性質就是要符合鮑利不相容原理，即不能有兩粒位於同樣量子態的電子，所以當電子成對時，總是一個自旋朝上而另外一個自旋朝下。這樣，它們產生的磁場相互抵消。對於某些帶有偶數電子的原子，總的磁偶極矩會減少至零。[78]

對於鐵磁元素，例如鐵，電子總數為奇數，會產生淨磁矩。同時，因為相鄰原子軌域重疊等原因，當未成對電子都朝向同一個方向時，體系的總能量最低，這個過程稱為交換相互作用。當這些鐵磁性元素的磁動量都統一朝向後，整個材料就會擁有一個宏觀可以測量的磁場。順磁性材料中，在沒有外部磁場的情況下，原子磁矩都是隨機分佈的；施加了外部磁場以後，所有原子都會統一朝向，產生磁場。[79][78]

原子核也可以存在淨自旋。由於熱平衡，這些原子核通常都隨機朝向。但一些元素，例如氙-129，一部分核自旋也可能極化，這狀態叫做超極化，在核磁共振成像中有很重要的用途。[80][81]

能級

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主條目：能級和原子譜線

原子中，電子的位能與它離原子核的距離成反比。測量電子的位能，通常的測量將讓該電子脫離原子所需要的能量，單位是電子伏特（eV）。在量子力學模型中，電子只能佔據一組以原子核為中心的狀態，每一個狀態就對應於一個能階。最低的能階就叫做基態，而更高的能階就叫做激發態。[82]

電子要在兩個能階之間躍遷的前提是它要吸收或者釋放能量，該能量還必須要和這兩個能階之間的能量差一致。因為釋放的光子能量只與光子的頻率有關，並且能階是不連續的，所以在電磁波譜中就會出現一些不連續的帶。[83]每種元素都有特徵波譜，特徵波譜取決於核電荷的多少，電子的填充情況，電子間的電磁相互作用以及一些其他的因素。[84]

 
吸收譜線的例子：太陽的夫朗和斐譜線

當一束全譜的光經過一團氣體或者一團等離子體後，原子會吸收一些光子，使得這些原子內的電子躍遷。而在激發態的電子則會自發的返回低能態，能量差作為光子釋放至隨機方向。前者就使那些原子有了類似於濾鏡的功能，觀測者在最後接收到的光譜中會發現一些黑色的吸收能帶。而後者能夠使那些與光線不在同一條直線上的觀察者觀察到一些不連續的譜線，實際就是那些原子的發射譜線。用光譜學測量這些譜線就可知該物質的組成以及物理性質。[85]

仔細分析譜線後，科學家發現一些譜線有着精細結構的裂分。這是因為自旋與最外層電子運動間的相互作用，也稱作自旋-軌域耦合。[86]當原子位於外部磁場中時，譜線能夠裂分成三個或多個部分，這現象叫塞曼效應，其原因是原子的磁矩及其電子與外部磁場的相互作用。一些原子擁有許多相同能階電子排布，因而只產生一條譜線。當這些原子安置在外部磁場中時，這幾種電子排布的能階就有了一些細小區別，這樣就出現了裂分。[87]外部電場也能導致類似的現象發生，成為史塔克效應。[88]

如果一粒電子在激發態，一粒有恰當能量的光子能夠使得該電子受激輻射，釋放出一粒擁有相同能量的光子，其前提就是電子返回低能階所釋放出來的能量必須要與之作用的光子的能量一致。此時，受激釋放的光子與原光子向同一個方向運動，也就是說這兩粒光子的波是同步的。利用這個原理，人們設計出了激光，用來產生一束擁有很窄頻率相干光源。[89]

化合價

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主條目：化合價

單粒原子的電子層最外層一般稱為價層，其中的電子稱為價電子。價電子粒數決定了這原子與其他原子成鍵的性質。原子能發生化學反應的一個統一趨勢是使其價層全滿或者全空。[90]

化學元素通常寫在化學週期表中，用來表明它們有週期重複的一些化學性質。通常，擁有相同數量價電子的元素形成一組，在元素週期表中占相同的一列。而元素週期表中的橫排則與量子層的電子填充情況相對應。週期表最右邊的元素價層都全滿，它們在化學反應中表現出一定的惰性，稱為惰性氣體。[91][92]

態

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主條目：形態和相態
 
能夠闡明玻色-愛因斯坦凝聚體形成的截圖。

物質很多不同的相態之中都存在原子，這些相態都由一定的物理條件所決定，例如溫度與壓強。通過改變這些條件，物質可以在固體、液體、氣體與等離子體之間轉換。[93]在同一種相態中，物質也可以有不同的形態，例如固態的碳就有石墨和金剛石兩種形態。[94]

當溫度很靠近絕對零度時，原子可以形成玻斯－愛因斯坦凝聚體。[95][96]這些超冷的原子可視為超原子，使得科學家可以研究量子力學的一些基本原理。[97]

測定

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掃描式穿隧電子顯微鏡圖片，顯示了組成Au（100）的單粒金原子。

掃描式穿隧電子顯微鏡是用來在原子級數觀測物體表面的儀器。它利用了量子穿隧效應，使電子能穿越平時不能克服的障礙。在操作中，電子能夠穿隧介於兩塊平面金屬電極間的真空。每塊電極表面吸附有一粒原子，使得穿隧電流密度大到可以測量。掃描時保持電流恆定，可以得到探針末端上下位移與橫向位移間關係的圖。計算證明掃描式穿隧電子顯微鏡所得到的顯微圖像能夠分辨出單粒原子。在低偏差的情況下，顯微圖像顯示的是對相近能階的電子軌域的一種空間平均後的尺寸，這些相近的能階也就是費米能中的局部態密度。[98][99]

原子失去電子時就電離了。這多餘的電荷會偏折它在磁場運行的軌跡。這偏轉角度由原子質量決定。質譜儀就用這原理測定離子的質荷比。如果樣品里有多種同位素，質譜可以通過測量不同離子束的強度來推導同位素的比例。使原子氣化的技術包括電感耦合等離子體原子發射光譜以及電感耦合等離子體質譜法。這兩種技術都使用了氣態或等離子態的樣品。[100]

另一有侷限的方法是電子能量損失譜，它是通過測量透無線電子顯微鏡中電子束穿越一個樣品後所損失的能量。原子探針顯像（英語：Atom probe）具有三維亞納米級的解像度，也可以通過飛行時間質譜儀（英語：Time-of-flight mass spectrometry）來鑑定單粒的原子。[101]

激發態光譜可以用來研究遠距離恆星的元素組成。觀測來自恆星的光譜中特殊的波長，可以得到氣體狀態下原子的量子轉變。使用同種元素的氣體放電燈，可以得到相同的顏色。[102]氦元素就是以這種手段在太陽的光譜中發現，比在地球上發現早了23年。[103]

起源和現狀

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核合成

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主條目：核合成

穩定的質子和電子在大爆炸後的一秒鐘內出現。在接下來的三分鐘之內，太初核合成產生了宇宙中大部分的氦、鋰和氘，有可能也產生了一些鈹和硼。[104][105][106]在理論上，最初的原子（有束縛的電子）是在大爆炸後大約38萬年產生的，這個時代稱為重新結合，在這時宇宙已經冷卻到足以使電子與原子核結合了。[107]自從那時候開始，原子核就開始在恆星中通過核聚變的過程結合，產生直到鐵的元素。[108]

像鋰-6那樣的同位素是在太空中通過宇宙射線散裂產生的。[109]這種現象在高能量的質子撞擊原子核時會發生，射出大量核子。比鐵重的元素在超新星中通過r-過程產生，或在AGB星中通過s-過程產生，兩種過程中原子核都會捕獲中子。[110]像鉛那樣的元素，大都是從更重的元素通過核衰變產生的。[111]

地球

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大部分組成地球及其居民的原子，都是在太陽系剛形成的時候就已經存在了。還有一部分的原子是核衰變的結果，它們的相對比例可以用來通過放射性定年法決定地球的年齡。[112][113]大部分地殼中的氦都是α衰變的產物。[114]

地球上有很少的原子既不是在一開始就存在的，也不是放射性衰變的結果。碳-14是大氣中的宇宙射線所產生的。[115]有些地球上的原子是核反應堆或核爆炸的產物，要麼是特意製造的，要麼是副產物。[116][117]在所有超鈾元素──原子序大於92的元素中，只有鈈和鎿在地球中自然出現。[118][119]超鈾元素的壽命比地球現在的年齡短[120]，因此許多這類的元素都早已衰變了，只有微量的鈈-244例外[112]。鈈和鎿的自然礦藏是在鈾礦中通過中子俘獲產生的。[121]

地球有約 粒原子。[122]地球大氣層有少量惰性氣體原子，如氬和氖。大氣層剩下的99%的部分，是以分子的形式束縛的，包括二氧化碳、雙原子的氧氣和氮氣。在地球表面，原子結合併形成了各種各樣的化合物，包括水、鹽、矽酸鹽和氧化物。原子也可以結合起來組成不含獨立分子的物質，包括晶體和液態或固態金屬。[123][124]

罕見和理論形式

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雖然原子序大於82（鉛）的元素已知有放射性，但是對於原子序大於103的元素，提出了「穩定島」的概念。這些超重元素中可能有原子核相對來說比其它原子核穩定。[125]最有可能的穩定超重元素是Ubh，它有126粒質子和184粒中子。[126]

各種粒子都有對應的反物質粒子，電荷相反；正電子就是帶有正電荷的反電子，反質子就是與質子對等，但帶有負電荷的粒子。不知道什麼原因，宇宙中反物質非常稀少，在自然界沒有發現任何反原子。[127][128]然而，1996年，在日內瓦的歐洲核子研究中心，首次合成了反氫──氫的反物質。[129][130]

把原子中的質子、中子或電子用相等電荷的其它粒子代替，可以形成奇異原子。例如，可以把電子用質量更大的緲子代替，形成緲子原子。這些類型的原子可以用來測試物理學的基本預言。[131][132][133]

參閱

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參考文獻

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引用

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來源

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