原子

物質は小さな分割不可能な粒子で構成されているという基本的な考え方は、多くの古代文化に現れた古い考え方です。これらの古代の考え方は科学的証拠ではなく哲学的推論に基づいており、現代の原子論はこれらの古い概念に基づいていません。^{[ 2 ]}とはいえ、 「原子」という言葉は、古代ギリシャの哲学者たちが使用した「アトモス」（「分割不可能な」）という言葉に由来しています。

1800年代初頭、ジョン・ドルトンは自身や他の科学者が収集した実験データをまとめ、現在「倍数比例の法則」として知られるパターンを発見した。彼は、2つの特定の化学元素を含む化学化合物のグループでは、元素Bの測定値に対する元素Aの量が、これらの化合物間で小さな整数比で異なることに気づいた。このパターンは、各元素が基本重量単位の倍数で他の元素と結合し、各元素が固有の重量単位を持つことを示唆していた。ドルトンはこれらの単位を「原子」と呼ぶことにした。^{[ 5 ]}

例えば、酸化スズには 2 種類あります。1 つは灰色の粉末で、スズ 88.1%、酸素11.9%です。もう 1 つは白色の粉末で、スズ 78.7%、酸素 21.3% です。これらの数値を調整すると、灰色の粉末ではスズ 100 g あたり約 13.5 g の酸素があり 、白色の粉末ではスズ 100 g あたり約 27 g の酸素があります 。13.5 と 27 は 1:2 の比率を形成します。ドルトンは、灰色の酸化物ではスズ原子 1 個に対して酸素原子 1 個、白色の酸化物ではスズ原子 1 個に対して酸素原子 2 個 ( SnOとSnO ₂ ) があると結論付けました。^{[ 6 ] [ 7 ]}

ドルトンは鉄酸化物も分析した。鉄酸化物には、鉄78.1%、酸素21.9%からなる黒色の粉末状のものと、鉄70.4%、酸素29.6%からなる赤色の粉末状のものがある。これらの数値を調整すると、黒色の粉末では鉄 100gあたり約28gの酸素が 、赤色の粉末では鉄 100gあたり約42gの酸素が含まれている 。28と42は2:3の比率となる。ドルトンは、これらの酸化物では、鉄原子2個に対して酸素原子がそれぞれ2個または3個存在すると結論付けた。これらの物質は現在、酸化鉄(II)と酸化鉄(III)として知られており、それぞれの化学式はFeOとFe₂O₃_である。酸化鉄(II)の化学式は通常FeOと表記されるが、結晶性物質であるため、Fe ₂ O _{2と表記することもでき、Fe 2} O ₃と比較すると、酸素の2:3の比率が明らかである。^{[ 8 ] [ 9 ]}

最後に例を挙げると、亜酸化窒素は窒素63.3% 、酸素36.7%、一酸化窒素は窒素44.05%、酸素55.95%、二酸化窒素は窒素29.5%、酸素70.5%です。これらの数値を調整すると、亜酸化窒素では 窒素140gあたり酸素80g、一酸化窒素では窒素140gあたり酸素 約160g 、二酸化窒素では窒素140gあたり酸素320gとなります。80、160、320は1:2:4の比率を形成します。これらの酸化物^のそれぞれの化学式は^N₂O、 NO 、 NO₂です。^[ ₁₀ ^{] [} ₁₁ ^]    

1897年、JJトムソンは陰極線が電場と磁場によって偏向されることを発見しました。これは、陰極線が光の一種ではなく、電気的に帯電した粒子で構成されており、粒子が偏向する方向によって電荷が負になることを意味していました。 ^{[ 12 ]}彼はこれらの粒子が水素（最も軽い原子）の1,700分の1の軽さであることを測定しました。 ^{[ 13 ]}彼はこれらの新しい粒子を微粒子と呼びましたが、これらは電気を運ぶ粒子であるため、後に電子と改名されました。 ^{[ 14 ]}トムソンはまた、電子が光電性物質や放射性物質から放出される粒子と同一であることを示しました。^{[ 15 ]}トムソンは、電流は電子が1つの原子から次の原子へ移動することであり、電流がないときは電子が原子の中に埋め込まれていると説明しました。これは、原子が科学者が考えていたように分割不可能ではないことを意味していました。原子は、負の電荷が何らかの正の電荷源によって相殺されて電気的に中性の原子を形成する電子で構成されています。トムソンは、イオンとは電子が過剰または不足している原子でなければならないと説明した。^{[ 16 ]}

原子内の電子は論理的に相応量の正電荷によってバランスが取られていなければならないが、トムソンはこの正電荷がどこから来るのか分からなかったので、原子が球形であることから、原子全体に正電荷が存在すると暫定的に提案した。これは、入手可能な証拠、あるいは証拠の欠如に適合する数学的に最も単純な仮説であった。このことから、トムソンは静電気力のバランスによって電子が球全体にほぼ均等に分布すると考えた。^{[ 17 ]}トムソンのモデルは一般にプラムプディングモデルとして知られているが、トムソンも彼の同僚もこのアナロジーを使用したことはない。^{[ 18 ]}トムソンのモデルは不完全であり、発光スペクトルや原子価などの元素の他の特性を予測することはできなかった。原子核の発見により、すぐに時代遅れとなった。

1908年から1913年にかけて、アーネスト・ラザフォードとその同僚のハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンは、アルファ粒子のビームを金属の薄い箔に照射する一連の実験を行った。これはアルファ粒子の散乱パターンを測定するためであった。彼らは、90°を超える角度で偏向する少数のアルファ粒子を発見した。これは、電荷が拡散しすぎて十分な強い電場を生成できないトムソンの原子模型によれば不可能であった。偏向はすべて無視できるほど小さいはずだった。ラザフォードは、原子の正電荷は原子の中心にある微小な体積に集中しており、電子はこの原子核を拡散した雲のように取り囲んでいると提唱した。この原子核は原子の質量のほぼすべてを担っていた。高い質量によって支えられたこのような強い電荷の集中だけが、アルファ粒子をこれほど強く偏向させる電場を生成できるのである。^{[ 19 ]}

古典力学の問題は、加速する荷電粒子が電磁放射を放出し、その結果、粒子が運動エネルギーを失うことです。円運動は加速とみなされるため、中心電荷の周りを軌道運動する電子は、速度を失うにつれてその原子核に螺旋状に落ちていくはずです。1913年、物理学者のニールス・ボーアは、原子の電子は原子核の周りを軌道運動するものの、有限個の軌道でのみ軌道運動でき、光子の吸収または放射に対応する離散的なエネルギー変化でのみこれらの軌道間をジャンプできるという新しいモデルを提案しました。[20] この量子化は、電子の軌道が安定している理由と、元素が離散的^{なスペクトルで}電磁放射を吸収および放出する理由を説明するために使用されました。^{[ 21 ]}ボーアのモデルは、水素の放出スペクトルのみを予測でき、複数の電子を持つ原子の放出スペクトルは予測できませんでした。

1815年、ウィリアム・プラウトは、多くの元素の原子量が水素の原子量の倍数であることを発見したが、同位体を考慮に入れると、実際にはすべての元素についてこのことが当てはまる。1898年、JJトムソンは、水素イオンの正電荷が電子の負電荷に等しいことを発見し、これらは当時知られていた最小の荷電粒子であった。^{[ 22 ]}トムソンは後に、原子の正電荷は電子の負電荷の正の倍数であることを発見した。^{[ 23 ]} 1913年、ヘンリー・モーズリーは、励起された原子からのX線放出の周波数が、その原子番号と水素の核電荷の数学的関数であることを発見した。1919年、ラザフォードは窒素ガスにアルファ粒子を照射し、ガスから放出される水素イオンを検出し、それらはアルファ粒子が窒素原子の原子核に衝突して分裂することによって生成されたと結論付けた。^{[ 24 ]}

これらの観察から、ラザフォードは水素原子核が電子の負電荷に等しい正電荷を持つ単一の粒子であると結論付けました。^{[ 25 ]}彼は1920年にこの粒子を「陽子」と名付けました。 ^{[ 26 ]}原子内の陽子の数（ラザフォードはこれを「原子番号」と呼びました^{[ 27 ] [ 28 ]} ）は周期表上の元素の順序番号に等しいことがわかり、そのため元素を互いに区別する単純明快な方法を提供しました。各元素の原子量は陽子の数よりも大きいため、ラザフォードは余剰重量は電荷を持たず陽子と同じ質量を持つ未知の粒子によって運ばれていると仮説を立てました。

1928年、ウォルター・ボーテは、ベリリウムにアルファ粒子を照射すると、非常に透過力の高い電気的に中性の放射線が放出されることを観測した。後に、この放射線がパラフィンワックスから水素原子をはじき出すことができることが発見された。当初は、ガンマ線が金属中の電子に同様の効果をもたらすことから、高エネルギーのガンマ線であると考えられていたが、ジェームズ・チャドウィックは、相互作用においてエネルギーと運動量が保存される限り、電離効果が強すぎるため、電磁放射線によるものではないことを発見した。1932年、チャドウィックは水素や窒素などの様々な元素を謎の「ベリリウム放射線」に曝露し、反跳する荷電粒子のエネルギーを測定することで、この放射線は実際にはガンマ線のように質量ゼロではなく、陽子と同程度の質量を持つ電気的に中性の粒子で構成されていると推論した。チャドウィックはこれらの粒子をラザフォードの中性子であると主張した。^{[ 29 ]}

1925年、ヴェルナー・ハイゼンベルクは量子力学の最初の一貫した数学的定式化（行列力学）を発表しました。^{[ 30 ]}その1年前、ルイ・ド・ブロイはすべての粒子がある程度波のように振る舞うことを提案し、^{[ 31 ]} 1926年にエルヴィン・シュレーディンガーはこの考えを用いてシュレーディンガー方程式を開発しました。この方程式は電子を空間の点ではなく3次元の波形として記述します。 ^{[ 32 ]}粒子を記述するために波形を使用することの結果、ある時点における粒子の位置と運動量の両方について正確な値を得ることは数学的に不可能です。これは、1927年にヴェルナー・ハイゼンベルクによって定式化された不確定性原理として知られるようになりました。 ^{[ 30 ]}この概念では、位置を測定する特定の精度に対して、運動量の可能性のある値の範囲しか得られず、その逆もまた同様です。^{[ 33 ]}こうして、原子の惑星モデルは捨てられ、原子核の周りの原子軌道領域で特定の電子が最も見つかりやすい領域を記述するモデルが採用された。^{[ 34 ] [ 35 ]}このモデルは、水素よりも大きな原子の特定の構造やスペクトルパターンなど、以前のモデルでは説明できなかった原子の挙動の観測結果を説明することができた。

原子という言葉は元々、それ以上小さく分割できない粒子を指していましたが、現代の科学用語では、原子は様々な素粒子から構成されているとされています。原子を構成する粒子は、電子、陽子、中性子です。

電子はこれらの粒子の中で最も質量が小さく、9.11 × 10 ⁻³¹  kgで、負の電荷を持ち、サイズが小さすぎて既存の技術では測定できません。^{[ 36 ]}ニュートリノ質量が発見されるまでは、静止質量が正の粒子の中で最も軽い粒子でした。通常の状態では、電子は反対の電荷から生じる引力によって正に帯電した原子核に束縛されています。電子は、主にJJ トムソンのおかげで 19 世紀後半から知られています。詳細は素粒子物理学の歴史を参照してください。

陽子は正の電荷を持ち、質量は1.6726 × 10 ⁻²⁷  kg。原子内の陽子の数を原子番号と呼びます。アーネスト・ラザフォード（1919年）は、窒素にアルファ粒子を照射すると、水素原子核と思われるものが放出されることを観察しました。1920年までに、彼は水素原子核が原子内の独立した粒子であることを受け入れ、それを陽子と名付けました。

中性子は電荷を持たず、質量は1.6749 × 10 ⁻²⁷  kg。^{[ 37 ] [ 38 ]}中性子は3つの構成粒子の中で最も重いが、その質量は核結合エネルギーによって減少する。中性子と陽子（まとめて核子と呼ばれる）は、同程度の寸法を持ち、オーダーは2.5 × 10 ⁻¹⁵  m —ただし、これらの粒子の「表面」は明確に定義されていません。^{[ 39 ]}中性子は1932年にイギリスの物理学者ジェームズ・チャドウィックによって発見されました。

物理学の標準模型では、電子は内部構造を持たない真の素粒子であるのに対し、陽子と中性子はクォークと呼ばれる素粒子から構成される複合粒子である。原子には2種類のクォークがあり、それぞれが分数の電荷を持つ。陽子は2つのアップクォーク（それぞれ電荷+ ⁠ 2 / 3 ⁠）と1つのダウンクォーク（電荷- ⁠ 1 / 3 ⁠）から構成される。中性子は1つのアップクォークと2つのダウンクォークから構成される。この違いが、2つの粒子の質量と電荷の違いを説明する。^{[ 40 ] [ 41 ]}

クォークは、グルーオンによって媒介される強い相互作用（または強い力）によって結合されています。陽子と中性子は、原子核内で核力によって互いに結合しています。核力は、強い力の残余力であり、範囲特性がやや異なります（詳しくは核力に関する記事を参照してください）。グルーオンは、物理的な力を媒介する素粒子であるゲージボソンのファミリーの一員です。 ^{[ 40 ] [ 41 ]}

原子内の結合した陽子と中性子はすべて小さな原子核を構成し、それらをまとめて核子と呼びます。原子核の半径はおよそ次の値に等しくなります。$1.07√[3]A$ フェムトメートル、${\displaystyle A}$は核子の総数です。^{[ 42 ]}これは原子の半径（約 10⁵ fm）よりもはるかに小さいです^。核子は残留強い力 と呼ばれる短距離の引力ポテンシャルによって結合されています。2.5 fm より小さい距離では、この力は正に帯電した陽子同士を反発させる静電気力よりもはるかに強力です。 ^{[ 43 ]} 

同じ元素の原子は、原子番号と呼ばれる同じ数の陽子を持っています。単一の元素内では、中性子の数が異なる場合があり、それがその元素の同位体を決定します。陽子と中性子の総数は核種を決定します。陽子に対する中性子の数は原子核の安定性を決定し、特定の同位体は放射性崩壊を起こします。^{[ 44 ]}

陽子、電子、中性子はフェルミオンに分類されます。フェルミオンはパウリの排他原理に従い、複数の陽子などの同一のフェルミオンが同時に同じ量子状態を占めることを禁じています。したがって、原子核内のすべての陽子は他のすべての陽子とは異なる量子状態を占めなければならず、原子核内のすべての中性子と電子雲内のすべての電子についても同様です。^{[ 45 ]}

陽子の数と中性子の数が異なる原子核は、放射性崩壊によってより低いエネルギー状態に遷移し、陽子と中性子の数をより近づける可能性がある。その結果、陽子と中性子の数が一致する原子は崩壊に対してより安定しているが、原子番号が増加するにつれて、陽子の相互反発により、原子核の安定性を維持するために中性子の割合が増加する。^{[ 45 ]}

原子核内の陽子と中性子の数は変化させることができるが、強い力のため非常に高いエネルギーが必要となる場合がある。核融合は、複数の原子粒子が結合してより重い原子核を形成するときに起こる。これは、2つの原子核の高エネルギー衝突によって起こる。例えば、太陽の中心部では、陽子が 相互反発力（クーロン障壁）を克服して融合し、単一の原子核になるには、3～10 keVのエネルギーが必要となる。^{[ 46 ]}核分裂はこれとは逆のプロセスで、原子核が2つのより小さな原子核に分裂する。これは通常、放射性崩壊によって起こる。原子核は、高エネルギーの素粒子や光子の照射によっても変化する。これにより原子核内の陽子の数が変化すると、原子は別の化学元素に変化する。^{[ 47 ] [ 48 ]}

核融合反応後の原子核の質量が分離した粒子の質量の合計よりも小さい場合、この2つの値の差は、アルバート・アインシュタインの質量エネルギー等価式E = mc²^で説明されるように、使用可能なエネルギーの一種（ガンマ線やベータ粒子の運動エネルギーなど）として放出される可能性があります。ここで、mは質量損失、cは光速です。この不足分は新しい原子核の結合エネルギーの一部であり、このエネルギーが分離に必要となる状態で融合粒子が一緒に残る原因となるのは、このエネルギーの回復不可能な損失です。^{[ 49 ]}

鉄やニッケルよりも原子番号が小さく、核子数が約60の大きな原子核を生成する2つの原子核の融合は、通常、それらを結合させるのに必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを放出する発熱過程である。 ^{[ 50 ]}このエネルギー放出過程によって、恒星における核融合は自己持続的な反応となる。より重い原子核の場合、核子あたりの結合エネルギーは減少し始める。つまり、原子番号が約26より大きく、質量数が約60より大きい原子核を生成する融合過程は吸熱過程である。したがって、より質量の大きい原子核は、恒星の静水圧平衡を維持できるようなエネルギー生成核融合反応を起こすことができない。 ^{[ 45 ]}

原子内の電子は、電磁力によって原子核内の陽子に引きつけられます。この力によって電子は、より小さな原子核を取り囲む静電ポテンシャル井戸の中に閉じ込められます。つまり、電子がそこから脱出するには外部からのエネルギーが必要となります。電子が原子核に近いほど、引力は大きくなります。したがって、ポテンシャル井戸の中心付近に束縛されている電子は、中心から遠い位置にある電子よりも脱出に多くのエネルギーを必要とします。

電子は他の粒子と同様に、粒子と波の両方の性質を持っています。電子雲はポテンシャル井戸内の領域であり、各電子は3次元定常波（原子核に対して相対的に動かない波形）を形成します。この挙動は原子軌道によって定義され、これは電子の位置が測定されたときに特定の場所に存在する確率を特徴付ける数学関数です。^{[ 51 ]}原子核の周りには、これらの軌道の離散的（または量子化された）セットのみが存在し、他の可能な波のパターンは急速に安定な形に崩壊します。^{[ 52 ]}軌道は1つ以上の環状構造または節構造を持つことができ、サイズ、形状、および向きが互いに異なります。^{[ 53 ]}

各原子軌道は、電子の特定のエネルギー準位に対応します。電子は、新しい量子状態に励起されるのに十分なエネルギーを持つ光子を吸収することで、より高いエネルギー準位に状態を変化させることができます。同様に、自発放出によって、より高いエネルギー状態にある電子は、余剰エネルギーを光子として放出しながら、より低いエネルギー状態に遷移することができます。これらの特性エネルギー値は、量子状態のエネルギーの差によって定義され、原子スペクトル線の原因となります。^{[ 52 ]}

電子を取り除いたり加えたりするのに必要なエネルギー量（電子結合エネルギー）は、核子の結合エネルギーよりもはるかに小さい。たとえば、水素原子から基底状態の 電子を剥ぎ取るにはわずか 13.6 eVしか必要ないが、重水素原子核を分裂させるには223万eVが必要である。^{[ 54 ] [ 55 ]}原子は、陽子と電子の数が等しい場合、電気的に中性である。電子が不足または過剰な原子はイオンと呼​​ばれる。原子核から最も遠い電子は、近くの他の原子に移動したり、原子間で共有されたりする。このメカニズムにより、原子は分子や、イオン結合や共有結合のネットワーク結晶などの他の種類の化学化合物に結合することができる。^{[ 56 ]} 

定義上、原子核内の陽子の数が同じ 2 つの原子は、同じ化学元素に属します。陽子の数は同じですが中性子の数が異なる原子は、同じ元素の異なる同位体です。たとえば、すべての水素原子はちょうど 1 つの陽子を持ちますが、中性子を持たない同位体 (水素-1、最も一般的な形態、^{[ 57 ]}プロチウムとも呼ばれる)、中性子を 1 つ持つ同位体 (重水素)、中性子を 2 つ持つ同位体 (三重水素)、および中性子を 2 つ以上持つ同位体があります。既知の元素は、陽子が 1 個の元素である水素から陽子が118 個の元素であるオガネソンまで、一連の原子番号を形成します。^{[ 58 ]}原子番号が 82 より大きい元素の既知の同位体はすべて放射性ですが、元素 83 (ビスマス)の放射能は、実際には無視できるほど小さいです。^{[ 59 ] [ 60 ]}

地球上には自然界に約 339 種類の核種が存在し、^{[ 61 ]}そのうち 251 種類 (約 74%) は崩壊が観測されておらず、「安定同位体」と呼ばれています。理論的に安定な核種は 90 種類のみで、さらに 161 種類 (合計 251 種類) は理論的にはエネルギー的に可能であっても崩壊が観測されていません。これらも正式には「安定」に分類されます。さらに 35 種類の放射性核種は半減期が 1 億年以上あり、太陽系の誕生以来存在してきたほど長寿命です。この 286 種類の核種の集まりは、原始核種として知られています。最後に、さらに53の短寿命核種が、原始核種の崩壊の娘核種（ウランからのラジウムなど）として、または宇宙線照射などの地球上の自然な高エネルギー過程の産物（例えば炭素14）として、自然界に存在することが知られています。^{[ 62 ] [注1 ]}

80種類の化学元素には、少なくとも1つの安定同位体が存在する。一般的に、これらの元素にはそれぞれ少数の安定同位体しか存在せず、平均すると1元素あたり3.1個の安定同位体である。26種類の「単一同位体元素」は安定同位体を1つしか持たず、安定同位体の数は元素スズで10個が最大である。元素43、61、および83番以降のすべての元素には安定同位体は存在しない。^{[ 63 ]： 1-12}

同位体の安定性は、陽子と中性子の比率、および閉じて満たされた量子殻を表す特定の「魔法数」の中性子または陽子の存在によって影響を受けます。これらの量子殻は、原子核の殻モデル内のエネルギー準位のセットに対応します。スズの50個の陽子で満たされた殻のように、満たされた殻は、核種に異常な安定性をもたらします。既知の251の安定核種のうち、陽子の数と中性子の数の両方が奇数であるのは、水素-2（重水素）、リチウム-6、ホウ素-10、窒素-14の4つだけです。 （タンタル-180mは奇奇核種で観測上安定しているが、非常に長い半減期で崩壊すると予測されている。）また、天然に存在する放射性奇奇核種のうち、半減期が10億年を超えるのはカリウム-40、バナジウム-50、ランタン-138、ルテチウム-176の4つだけである。ほとんどの奇奇核種はベータ崩壊に対して非常に不安定である。これは、崩壊生成物が偶偶核種であり、核対効果により結合がより強くなるためである。^{[ 64 ]}

原子の質量の大部分は、それを構成する陽子と中性子に由来します。特定の原子に含まれるこれらの粒子（「核子」と呼ばれる）の総数を質量数と呼びます。質量数は正の整数であり、無次元量（質量の次元を持たない）です。これは、質量数が個数を表すためです。質量数の使用例としては、「炭素12」が挙げられます。炭素12は12個の核子（陽子6個と中性子6個）から構成されています。

静止状態にある原子の実際の質量は、ダルトン（Da）で表されることが多く、これは統一原子質量単位（u）とも呼ばれます。この単位は、炭素12の自由中性原子の質量の12分の1として定義され、これは約1.66 × 10 ⁻²⁷  kg。^{[ 65 ]}水素-1（水素の最も軽い同位体であり、質量が最も小さい核種でもある）の原子量は 1.007825  Da です。^{[ 66 ]}この数値は原子量と呼ばれます。特定の原子の原子量は、その質量数にダルトンを掛けた値とほぼ等しくなります（1%以内）（例えば、窒素-14 の質量は約 14  Da です）が、炭素-12 の場合を除いて（定義により）正確に整数にはなりません。^{[ 67 ]}最も重い安定原子は鉛-208で、^{[ 59 ]}質量は207.976 6521  Da . ^{[ 68 ]}

最も質量の大きい原子でさえ、直接扱うには軽すぎるため、化学者は代わりにモルという単位を使用します。どの元素の原子1モルは常に同じ数の原子（約1000個）を含みます。6.022 × 10 ²³ )。この数値は、元素の原子量が 1 u の場合、その元素の原子 1 モルの質量が 1 グラムに近い値になるように選択されました。ダルトンの定義により、炭素 12 原子はそれぞれ正確に 12 Da の原子量を持ち 、したがって炭素 12 原子 1 モルの質量は正確に 0.012 kg になります。 ^{[ 65 ]}

原子には明確な外側の境界がないため、その寸法は通常、原子半径で表されます。これは、電子雲が原子核からどれだけ遠くまで広がっているかを示す尺度です。^{[ 69 ]}これは、原子が球形であると仮定していますが、これは真空または自由空間にある原子にのみ当てはまります。原子半径は、2つの原子が化学結合で結合しているときの2つの原子核間の距離から導き出すことができます。半径は、原子の原子図上の位置、化学結合の種類、隣接する原子の数（配位数）、およびスピンとして知られる量子力学的特性によって変化します。^{[ 70 ]}元素の周期表では、原子のサイズは列を下るにつれて増加する傾向がありますが、行を横切る（左から右）につれて減少します。^{[ 71 ]}その結果、最小の原子は半径32 pmのヘリウムであり、最大の原子の1つは225 pmのセシウムです。^{[ 72 ]}  

電場などの外部力が加わると、原子の形状は球対称からずれることがあります。群論的考察で示されているように、変形は電場の大きさと外殻電子の軌道の種類に依存します。非球形のずれは、例えば結晶で発生する可能性があり、そこでは大きな結晶電場が低対称格子点で発生する可能性があります。^{[ 73 ] [ 74 ]}黄鉄鉱型化合物では、硫黄イオン^{[ 75 ]}とカルコゲンイオン^{[ 76 ]}で顕著な楕円体変形が発生することが示されています。

原子の大きさは光の波長（400～700 nm ）よりも数千倍小さいため、光学顕微鏡では見ることができませんが、走査型トンネル顕微鏡を使用すれば個々の原子を観察できます。原子の微小さを視覚化するために、典型的な人間の髪の毛の幅は約 100 万個の炭素原子であることを考えてみてください。^{[ 77 ]} 1 滴の水には約 2垓(   2 × 10 ²¹ ) の酸素原子と、その 2 倍の数の水素原子。^{[ 78 ]}質量が2 × 10 21 の1カラットのダイヤモンド2 × 10 ⁻⁴  kgには約 10 垓 (10 ²² ) 個の炭素原子が含まれています。^{[注 2 ]}リンゴを地球の大きさに拡大すると、リンゴに含まれる原子は元のリンゴとほぼ同じ大きさになります。^{[ 79 ]}

すべての元素には、放射性崩壊を起こし、原子核から粒子や電磁放射線を放出する不安定な原子核を持つ同位体が1つ以上存在します。放射能は、原子核の半径が強い力の半径に比べて大きい場合に発生します。強い力は、1  fm程度の距離にしか作用しません。^{[ 80 ]}

最も一般的な放射性崩壊の形態は次のとおりです。^{[ 81 ] [ 82 ]}

• アルファ崩壊：この過程は、原子核がアルファ粒子（陽子2個と中性子2個からなるヘリウム原子核）を放出することによって起こります。放出の結果、原子番号の小さい新しい元素が生成されます。
• ベータ崩壊（および電子捕獲）：これらの過程は弱い力によって制御され、中性子から陽子、または陽子から中性子への変換によって生じます。中性子から陽子への遷移では電子と反ニュートリノが放出されますが、陽子から中性子への遷移（電子捕獲を除く）では陽電子とニュートリノが放出されます。電子または陽電子の放出はベータ粒子と呼ばれます。ベータ崩壊は原子核の原子番号を1つ増加または減少させます。電子捕獲は陽電子放出よりもエネルギーが少なくて済むため、より一般的です。このタイプの崩壊では、陽電子が原子核から放出されるのではなく、電子が原子核に吸収されます。この過程でもニュートリノが放出され、陽子が中性子に変化します。
• ガンマ崩壊：この過程は、原子核のエネルギー準位がより低い状態に変化することによって生じ、電磁波が放出されます。ガンマ線放出を引き起こす原子核の励起状態は、通常、アルファ粒子またはベータ粒子の放出後に起こります。したがって、ガンマ崩壊は通常、アルファ崩壊またはベータ崩壊の後に起こります。

より稀な放射性崩壊の種類としては、原子核からの中性子、陽子、または核子のクラスターの放出、あるいは複数のベータ粒子の放出などがある。励起された原子核が別の方法でエネルギーを失うことを可能にするガンマ線放出の類似物として、内部転換がある。これは、ベータ線ではない高速電子を生成し、続いてガンマ線ではない高エネルギー光子を生成するプロセスである。少数の大きな原子核が、自発的核分裂と呼ばれる崩壊で、質量が異なる2つ以上の荷電断片と数個の中性子に爆発する。

各放射性同位体には、試料の半分が崩壊するのに必要な時間によって決まる、半減期と呼ばれる固有の崩壊時間があります。これは指数関数的な崩壊過程であり、半減期ごとに残存する同位体の割合が50%ずつ着実に減少します。したがって、2回の半減期が経過すると、同位体の25%しか存在しなくなり、以下同様です。^{[ 80 ]}

素粒子はスピンと呼ばれる固有の量子力学的性質を持っています。これは、重心の周りを回転する物体の角運動量に似ていますが、厳密に言えばこれらの粒子は点状であると考えられており、回転しているとは言えません。スピンは換算プランク定数(ħ) の単位で測定され、電子、陽子、中性子はすべてスピン1 ⁄ 2 ħ、つまり「スピン1 ⁄ 2」を持ちます。原子では、原子核の周りを運動する電子はスピンに加えて軌道角運動量を持ち、原子核自体は核スピンによる角運動量を持っています。^{[ 83 ]} 

原子が生成する磁場（その磁気モーメント）は、回転する帯電物体が古典的に磁場を生成するのと同様に、これらのさまざまな形態の角運動量によって決定されますが、最も支配的な寄与は電子スピンによるものです。電子はパウリの排他原理に従う性質があり、2つの電子が同じ量子状態にあることはありません。そのため、束縛された電子は互いにペアになり、各ペアの一方はスピンアップ状態、もう一方は反対のスピンダウン状態になります。このようにしてこれらのスピンは互いに打ち消し合い、偶数個の電子を持つ一部の原子では全磁気双極子モーメントがゼロになります。^{[ 84 ]}

鉄、コバルト、ニッケルなどの強磁性元素では、奇数個の電子によって不対電子が生じ、全体として正味の磁気モーメントが発生します。隣接する原子の軌道が重なり合い、不対電子のスピンが互いに整列すると、より低いエネルギー状態が実現します。これは交換相互作用として知られる自発的なプロセスです。強磁性原子の磁気モーメントが整列すると、その物質は測定可能な巨視的な磁場を生成することができます。常磁性物質では、磁場がないときは磁気モーメントがランダムな方向に整列する原子がありますが、磁場が存在すると個々の原子の磁気モーメントが整列します。^{[ 84 ] [ 85 ]}

原子核は、中性子と陽子の数が偶数の場合、スピンを持たないが、奇数の場合はスピンを持つことがある。通常、スピンを持つ原子核は熱平衡のためランダムな方向に整列しているが、特定の元素（キセノン129など）では、核スピン状態のかなりの割合を偏極させて同じ方向に整列させることが可能であり、この状態は超偏極と呼ばれる。これは磁気共鳴画像法において重要な応用がある。^{[ 86 ] [ 87 ]}

原子内の電子のポテンシャルエネルギーは、原子核からの距離が無限大に近づくと負の値になります。電子の位置に対するポテンシャルエネルギーの依存性は、原子核内部で最小値に達し、距離にほぼ反比例します。量子力学モデルでは、束縛された電子は原子核を中心とする一連の状態のみを占めることができ、各状態は特定のエネルギー準位に対応します。理論的な説明については、時間独立シュレーディンガー方程式を参照してください。エネルギー準位は、電子を原子から解放するために必要なエネルギー量で測定でき、通常は電子ボルト(eV) の単位で表されます。束縛された電子の最低エネルギー状態は基底状態、つまり定常状態と呼ばれ、電子がより高い準位に遷移すると励起状態になります。^{[ 88 ]}電子のエネルギーは、原子核までの (平均) 距離が増加するため、nとともに増加します。エネルギーがℓに依存するのは、原子核の静電ポテンシャルによるものではなく、電子間の相互作用によるものである。

電子が2つの異なる状態間（例えば、基底状態から第一励起状態へ）遷移するには、ニールス・ボーアモデルによれば、それらの準位のポテンシャルエネルギーの差に一致するエネルギーの光子を吸収または放出する必要があり、これはシュレーディンガー方程式によって正確に計算できます。電子は粒子のように軌道間を飛び移ります。例えば、1つの光子が電子に衝突した場合、1つの電子だけがその光子に応じて状態を変化させます。詳しくは「電子の性質」を参照してください。

放出される光子のエネルギーはその周波数に比例するため、これらの特定のエネルギー準位は電磁スペクトルに明確な帯として現れます。^{[ 89 ]}各元素は、原子核の電荷、電子が満たされている副殻、電子間の電磁相互作用、その他の要因によって決まる特性スペクトルを持っています。^{[ 90 ]}

連続スペクトルのエネルギーが気体またはプラズマを通過すると、光子の一部が原子に吸収され、電子のエネルギー準位が変化します。原子に束縛されたままの励起された電子は、このエネルギーを光子として自発的に放出し、ランダムな方向に移動して、より低いエネルギー準位に戻ります。このように、原子はフィルターのように振る舞い、エネルギー出力に一連の暗い吸収帯を形成します。連続スペクトルを背景に含まない視点から原子を観察する観測者は、代わりに原子から放出された光子による一連の輝線を見ます。原子スペクトル線の強度と幅の分光学的測定により、物質の組成と物理的性質を決定できます。^{[ 91 ]}

スペクトル線を詳しく調べると、微細構造分裂を示すものがあることがわかります。これは、最外殻電子のスピンと運動の間の相互作用であるスピン軌道結合によって発生します。 ^{[ 92 ]}原子が外部磁場中にある場合、スペクトル線は 3 つ以上の成分に分裂します。これはゼーマン効果と呼ばれる現象です。これは、磁場と原子およびその電子の磁気モーメントとの相互作用によって引き起こされます。一部の原子は同じエネルギー準位で複数の電子配置を持つことができ、そのため単一のスペクトル線として現れます。磁場と原子との相互作用により、これらの電子配置はわずかに異なるエネルギー準位にシフトし、結果として複数のスペクトル線が生じます。^{[ 93 ]}外部電場の存在は、電子エネルギー準位を変化させることによって、スペクトル線の同様の分裂とシフトを引き起こす可能性があり、これはシュタルク効果と呼ばれる現象です。^{[ 94 ]}

束縛電子が励起状態にある場合、適切なエネルギーを持つ相互作用光子によって、エネルギー準位が一致する光子の誘導放出が引き起こされる。これが起こるためには、電子は相互作用光子のエネルギーと一致するエネルギー差を持つより低いエネルギー状態に遷移する必要がある。放出された光子と相互作用光子は、その後、平行かつ位相が一致する状態で移動する。つまり、2つの光子の波動パターンは同期している。この物理的性質は、狭い周波数帯域でコヒーレントな光エネルギービームを放出できるレーザーを作るために利用されている。^{[ 95 ]}

原子価は、元素の結合力です。これは、他の原子やグループと形成できる結合の数によって決まります。^{[ 96 ]}結合していない状態の原子の最外殻電子殻は価電子殻として知られており、その殻の電子は価電子と呼ばれます。価電子の数は、他の原子との結合挙動を決定します。原子は、最外殻価電子殻を満たす（または空にする）方法で互いに化学反応する 傾向があります。 ^{[ 97 ]}例えば、原子間での1つの電子の移動は、満たされた殻より1つ多い電子を持つ原子と、化合物塩化ナトリウムやその他の化学的イオン塩で起こるように、完全な殻より1つ少ない電子を持つ原子の間で形成される結合の有用な近似です。多くの元素は、複数の原子価、つまり異なる化合物で異なる数の電子を共有する傾向を示します。したがって、これらの元素間の化学結合は、単純な電子の移動以上の多くの電子共有の形態をとります。例としては、元素炭素や有機化合物などが挙げられる。^{[ 98 ]}

化学元素は、周期表によく表され、周期的に繰り返される化学的性質を示すように配置されています。同じ数の価電子を持つ元素は、表の同じ列に並ぶグループを形成します。（水平方向の行は、電子の量子殻の充填に対応しています。）表の右端にある元素は、最外殻が電子で完全に満たされており、その結果、希ガスとして知られる化学的に不活性な元素となります。^{[ 99 ] [ 100 ]}

原子の量は、温度や圧力などの物理的条件に応じて、さまざまな物質の状態に存在する。条件を変化させることで、物質は固体、液体、気体、プラズマの間で遷移することができる。^{[ 101 ]}物質は、同じ状態内でも、異なる同素体として存在することができる。その例として、固体炭素があり、グラファイトまたはダイヤモンドとして存在することができる。^{[ 102 ]}二酸素やオゾンなどの気体同素体も存在する。

絶対零度に近い温度では、原子はボーズ・アインシュタイン凝縮体を形成することができ、その時点で、通常は原子スケールでのみ観測される量子力学的効果が巨視的スケールで明らかになる。^{[ 103 ] [ 104 ]}この超冷却された原子の集合は、単一の超原子として振る舞い、量子力学的挙動の基本的な検証を可能にする可能性がある。^{[ 105 ]}

電子はビッグバンの初期段階から宇宙に存在していると考えられている。原子核は元素合成反応で形成される。ビッグバンの元素合成は約3分で宇宙のヘリウム、リチウム、重水素の大部分、そしておそらくベリリウムとホウ素の一部を生成した。^{[ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]}

原子の遍在性と安定性は、その結合エネルギーに依存しており、これは原子が原子核と電子の非結合系よりも低いエネルギーを持つことを意味します。温度がイオン化電位よりもはるかに高い場合、物質はプラズマの形で存在します。プラズマとは、正に帯電したイオン（場合によっては裸の原子核）と電子のガスです。温度がイオン化電位を下回ると、原子が統計的に有利になります。原子（結合した電子を含む）は、ビッグバンから38万年後、再結合と呼ばれる時代に荷電粒子よりも優勢になりました。この時代は、膨張する宇宙が十分に冷えて、電子が原子核に付着できるようになった時期です。^{[ 120 ]} 

ビッグバン以降、炭素やそれより重い元素は生成されず、恒星では核融合の過程を経て原子核が結合し、ヘリウムなどの元素がさらに生成され、（トリプルアルファ過程を経て）炭素から鉄までの元素の系列が生成されました。^{[ 121 ]}詳細は恒星核合成を参照してください。

リチウム6などの同位体、および一部のベリリウムとホウ素は、宇宙線による核破砕によって宇宙空間で生成されます。^{[ 122 ]}これは、高エネルギーの陽子が原子核に衝突し、多数の核子が放出されるときに起こります。

鉄より重い元素は、超新星爆発や中性子星の衝突によってr過程を経て、AGB星ではs過程を経て生成されました。どちらの過程も、原子核による中性子の捕獲を伴います。^{[ 123 ]}鉛などの元素は、主に重い元素の放射性崩壊によって形成されました。^{[ 124 ]}

地球とその住人を構成する原子のほとんどは、分子雲から崩壊して太陽系を形成した星雲の中に現在の形で存在していました。残りは放射性崩壊の結果であり、それらの相対的な割合は放射年代測定によって地球の年齢を決定するために使用できます。^{[ 125 ] [ 126 ]}地球の地殻にあるヘリウムのほとんど（ヘリウム3の存在量が少ないことからわかるように、ガス井戸からのヘリウムの約99% ）はアルファ崩壊の産物です。^{[ 127 ]}

地球上には、当初存在しなかった（つまり「原始的」ではない）微量の原子がいくつかあり、それらは放射性崩壊の結果でもありません。炭素14は、大気中の宇宙線によって継続的に生成されています。^{[ 128 ]}地球上の原子の中には、意図的に、または原子炉や爆発の副産物として人工的に生成されたものもあります。^{[ 129 ] [ 130 ]}原子番号が92より大きい超ウラン元素のうち、地球上に自然に存在するものはプルトニウムとネプツニウムだけです。^{[ 131 ] [ 132 ]}超ウラン元素の放射性寿命は地球の現在の年齢よりも短いため^{[ 133 ]} 、これらの元素の識別可能な量は、宇宙塵によって堆積した可能性のある微量のプルトニウム244を除いて、ずっと前に崩壊しています。^{[ 125 ]}プルトニウムとネプツニウムの天然鉱床は、ウラン鉱石中の中性子捕獲によって生成されます。^{[ 134 ]}

地球にはおよそ1.33 × 10 ⁵⁰個の原子。^{[ 135 ]}アルゴン、ネオン、ヘリウムなどの希ガスの独立した原子は少数存在するが、大気の 99% は二酸化炭素や二原子酸素、二原子窒素などの分子の形で結合している。地球の表面では、圧倒的多数の原子が結合して、水、塩、ケイ酸塩、酸化物などのさまざまな化合物を形成している。原子は、結晶や液体または固体の金属など、離散的な分子で構成されていない物質を作るためにも結合することができる。^{[ 136 ] [ 137 ]}この原子物質は、分子物質に関連する特定のタイプの小規模な中断された秩序を欠くネットワーク構造を形成する。^{[ 138 ]}