Άτομο

Γενικά

Παρόλο που το όνομα άτομο δόθηκε τη στιγμή που τα άτομα πιστευόταν πως ήταν αδιαίρετα, τώρα είναι γνωστό πως ένα άτομο μπορεί να διαχωριστεί σε έναν αριθμό μικρότερων συστατικών. Το πρώτο από αυτά που ανακαλύφθηκε ήταν το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο, το οποίο εύκολα μπορεί να αποβάλλει ένα άτομο κατά τον ιονισμό του. Τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ένα σύννεφο, το ηλεκτρονιακό νέφος, γύρω από ένα συμπαγές σώμα το οποίο περιέχει όλο το θετικό φορτίο του ατόμου, τον ατομικό πυρήνα. Ο πυρήνας με τη σειρά του αποτελείται από νουκλεόνια: θετικά φορτισμένα πρωτόνια και αφόρτιστα νετρόνια.
Πριν το 1961, τα υποατομικά σωματίδια πιστευόταν πως ήταν μόνο τα πρωτόνια, τα νετρόνια και ηλεκτρόνια. Ωστόσο, τα πρωτόνια και τα νετρόνια αυτά καθ' αυτά γνωρίζουμε σήμερα πως αποτελούνται από ακόμα μικρότερα σωματίδια, τα λεγόμενα quarks. Επιπλέον, το ηλεκτρόνιο είναι γνωστό πως έχει έναν σχεδόν χωρίς μάζα 'σύντροφο', το νετρίνο. Και τα δύο, ηλεκτρόνιο και νετρίνο, είναι λεπτόνια.
Συνηθέστερα τα άτομα αποτελούνται μόνο από quarks και λεπτόνια πρώτης γενιάς. Το πρωτόνιο αποτελείται από δύο 'πάνω' (up) quarks και ένα 'κάτω' (down), ενώ το νετρόνιο αποτελείται από ένα 'πάνω' και δύο 'κάτω'. Παρόλο που δε συναντιόνται στη συνηθισμένη ύλη, οι άλλες δύο πιο βαρείς γενιές quarks και λεπτονίων μπορούν να παραχθούν σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας.
Το υποατομικά σωματίδια φορείς δυνάμεων, γλουόνια (ή κολλητόνια), είναι επίσης σημαντικά στα άτομα. Τα ηλεκτρόνια παραμένουν στο άτομο λόγω δυνάμεων κβαντομηχανικής φύσης οι οποίες αναπτύσσονται μεταξύ αυτών και του πυρήνα. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκρατούνται μαζί στον πυρήνα με τη βοήθεια των γλουονίων, φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.

Τα ηλεκτρόνια

Η χημική συμπεριφορά των ατόμων οφείλεται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια των ατόμων παραμένουν σε προβλέψιμες ηλεκτρονιακές δομές. Αυτές οι δομές καθορίζονται από τη κβαντομηχανική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μέσα στο δυναμικό του πυρήνα. Ο κύριος κβαντικός αριθμός καθορίζει συγκεκριμένους ηλεκτρονιακούς φλοιούς (ή αλλιώς στοιβάδες) συγκεκριμένης ενέργειας η κάθε μία. Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια ενός φλοιού τόσο πιο μακριά βρίσκεται από τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια στον εξώτατο φλοιό ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους και έχουν την μεγαλύτερη επίδραση στην χημική συμπεριφορά του ατόμου επειδή μπορούν εύκολα να σχηματίσουν χημικούς δεσμούς. Τα εσωτερικά ηλεκτρόνια, αυτά που δεν ανήκουν δηλαδή στο φλοιό σθένους, επίσης παίζουν κάποιο ρόλο, μικρότερο όμως λόγω της θωράκισης του θετικά φορτισμένου πυρήνα.
Ένας ηλεκτρονιακός φλοιός μπορεί να συγκρατήσει μέχρι 2n² ηλεκτρόνια, όπου n είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός του φλοιού αυτού. Ο τελευταίος (αυτός με το μεγαλύτερο n) κατειλημμένος φλοιός, ακόμα κι αν αυτός έχει ένα μόνο ηλεκτρόνιο, ονομάζεται φλοιός σθένους. Στην πιο σταθερή θεμελιώδη κατάσταση, τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου συμπληρώνουν τους φλοιούς με σειρά αυξανόμενης ενέργειας. Κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να διεγερθεί σε ένα υψηλότερης ενέργειας φλοιό (για παράδειγμα, απορροφώντας ενέργεια από μία εξωτερική πηγή και μεταπηδώντας σε έναν υψηλότερο φλοιό), αφήνοντας μία κενή θέση σε χαμηλότερο φλοιό. Το διεγερμένο ηλεκτρόνιο, μόλις πάψει η εξωτερική επίδραση, μεταπηδά  σε χαμηλότερο φλοιό, εκπέμποντας ενέργεια ίση με τη διαφορά ενεργειών του αρχικού και τελικού φλοιού, υπό τη μορφή φωτονίων και το άτομο επιστρέφει στη θεμελιώδη κατάσταση.
Εκτός του κυρίως κβαντικού αριθμού, ένα ηλεκτρόνιο χαρακτηρίζεται από άλλους 3 κβαντικούς αριθμούς. Οι τέσσερις σημαντικότεροι αυτοί κβαντικοί αριθμοί αποτελούν τις παραδεκτές λύσεις της κυματικής εξίσωσης του Σρέντινγκερ (Erwin Schrödinger) : τον αζιμουθιακό κβαντικό αριθμό l (ο οποίος περιγράφει την τροχιακή στροφορμή του ηλεκτρονίου), τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό mₗ (ο οποίος περιγράφει την διεύθυνση του διανύσματος της στροφορμής), και τον κβαντικό αριθμό του σπιν mₛ (ο οποίος περιγράφει την διεύθυνση της εσωτερικής στροφορμής του ηλεκτρονίου). Για τον συμβολισμό του κβαντικού αριθμού l χρησιμοποιούνται τα γράμματα s, p, d και f τα οποία αντιστοιχούν σε l = 0, 1, 2 και 3 και περιγράφουν τη μορφή του ατομικού τροχιακού. Στα περισσότερα άτομα διαφορετικά l περιγράφουν και καταστάσεις διαφορετικής ενέργειας. Οι διαφορές αυτές καθορίζουν την λεπτή δομή του ατόμου. Διαφορετικά m δίνουν εκφυλισμένες καταστάσεις μόνο στην περίπτωση απουσίας εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Αντίθετα, εμφανίζεται το φαινόμενο Zeeman κατά το οποίο οι εκφυλισμένες καταστάσεις διαχωρίζονται καθορίζοντας έτσι την υπέρλεπτη δομή του ατόμου.

Χημικά στοιχεία - Ισότοπα - Ιόντα

Τα άτομα γενικά κατηγοριοποιούνται βάση του ατομικού τους αριθμού Z, ο οποίος ανταποκρίνεται στον αριθμό των πρωτονίων του ατόμου. Ο ατομικός αριθμός καθορίζει το στοιχείο του ατόμου. Όλα τα άτομα με τον ίδιο ατομικό αριθμό χαρακτηρίζονται από μία σειρά ίδιων φυσικών και χημικών ιδιοτήτων. Τα στοιχεία μπορούν να ταξινομηθούν, όπως στον περιοδικό πίνακα, με σειρά αυξανομένου ατομικού αριθμού.
Η ατομική μάζα A (ή μαζικός αριθμός, ή αριθμός νουκλεονίων) ενός στοιχείου είναι το άθροισμα των πρωτονίων και των νετρονίων ενός ατόμου, ονομαζόμενη κατ΄ αυτό τον τρόπο λόγω του γεγονότος ότι η μάζα κάθε πρωτονίου ή νετρονίου είναι περίπου ίση με 1 amu. Ο αριθμός των νετρονίων Α-Ζ ενός ατόμου δεν έχει επίδραση στο είδος του στοιχείου. Κάθε στοιχείο έχει διάφορα είδη ατόμων, όλα με ισάριθμα πρωτόνια και ηλεκτρόνια, αλλά με διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Κάθε ένα από αυτά έχει τον ίδιο ατομικό αριθμό αλλά διαφορετική ατομική μάζα. Αυτά τα άτομα ονομάζονται ισότοπα ενός στοιχείου και μπορεί να απαντώνται στη φύση, μπορεί όμως να είναι και εργαστηριακά δημιουργήματα. 
Η ατομική μάζα η οποία αναφέρεται σε κάθε στοιχείο του περιοδικού πίνακα είναι ο μέσος όρος των μαζών των ισοτόπων του στοιχείου τα οποία βρίσκονται στη φύση, αντισταθμισμένες με το ποσοστό συμμετοχής τους στο φυσικό στοιχείο.
Το απλούστερο άτομο είναι το ισότοπο του υδρογόνου, πρώτιο, το οποίο έχει ατομικό αριθμό 1 και ατομική μάζα 1. Αποτελείται δηλαδή από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Το ισότοπο του υδρογόνου το οποίο περιέχει στον πυρήνα ένα νετρόνιο ονομάζεται δευτέριο ή υδρογόνο-2. Το ισότοπο του υδρογόνου το οποίο περιέχει στον πυρήνα 2 νετρόνια ονομάζεται τρίτιο ή υδρογόνο-3. Το τρίτιο είναι ασταθές και διασπάται με μία διαδικασία η οποία ονομάζεται ραδιενέργεια. Σχεδόν όλα τα ισότοπα κάθε στοιχείου είναι ραδιενεργά και μόνο λίγα είναι σταθερά. Τα στοιχεία με ατομικό αριθμό 84 (πολώνιο) ή μεγαλύτερο δεν έχουν σταθερά ισότοπα και είναι όλα ραδιενεργά.
Σχεδόν όλα τα ελαφρύτερα από το ουράνιο (Z=92) στοιχεία έχουν αρκετά σταθερά ισότοπα ώστε να εμφανιστούν φυσικά στη Γη. Αρκετά στοιχεία τα οποία δε συναντώνται στη Γη έχουν βρεθεί παρόντα σε άστρα. Στοιχεία που δε βρίσκονται φυσιολογικά στη φύση έχουν τεχνητά δημιουργηθεί με πυρηνικό βομβαρδισμό. Μέχρι αυτή τη στιγμή (2011), έχουν  δημιουργηθεί τεχνητά στοιχεία με ατομικό αριθμό μέχρι και 118. Αυτά τα εξαιρετικά βαριά στοιχεία είναι γενικά πολύ ασταθή και διασπώνται γρήγορα.
Άτομα όπου έχουν χάσει ή αποκτήσει ηλεκτρόνια ονομάζονται ιόντα με θετικό (+) είτε με αρνητικό (-) φορτίο, και ονόματα κατιόντα και ανιόντα αντίστοιχα.

Χημικοί δεσμοί

Ο αριθμός ηλεκτρονίων στον εξωτερικό φλοιό (το φλοιό σθένους) ενός ατόμου διέπει τη δεσμική συμπεριφορά του. Συνεπώς, στοιχεία με τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων σθένους ομαδοποιούνται σε στήλες στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Τα αλκάλια, αποτελούνται από ένα ηλεκτρόνιο στον εξωτερικό φλοιό, οι αλκαλικές γαίες από δύο, τα αλογόνα από εφτά κτλ.
Κάθε άτομο είναι γενικά περισσότερο ευσταθές όταν έχει συμπληρωμένο το φλοιό σθένους. Κατ' επέκταση άτομα με συμπληρωμένο το φλοιό σθένους (όπως τα ευγενή αέρια) σχηματίζουν λίγες χημικές ενώσεις. Αντιθέτως, άτομα με λίγα ηλεκτρόνια στο φλοιό σθένους είναι περισσότερο δραστικά. Επιπλέον, άτομα τα οποία χρειάζονται λίγα μόνο ηλεκτρόνια (όπως τα αλογόνα) για τη συμπλήρωση του φλοιού σθένους είναι επίσης αρκετά δραστικά. Το φθόριο είναι το πλέον δραστικό από όλα τα στοιχεία.
Τα άτομα όταν ενώνονται σε χημικές ενώσεις, προσπαθούν να αποκτήσουν την ελάχιστη ενέργεια. Αυτό μπορεί να γίνει με τους χημικούς δεσμούς που είναι : Το άτομο να μοιρασθεί κάποια ηλεκτρόνια με άλλα άτομα (ομοιοπολικός δεσμός), ή να ανταλλάξει ηλεκτρόνια με ένα άλλο άτομο (ετεροπολικός δεσμός). Υπάρχουν και άλλοι τύποι αλληλεπιδράσεων μεταξύ ατόμων όπως πχ. οι μεταλλικοί δεσμοί, οι δεσμοί υδρογόνου, οι δεσμοί Van der Waals. Οι χημικοί δεσμοί είναι κβαντομηχανικής συμπεριφοράς και δεν εξηγούνται ικανοποιητικά με την κλασσική φυσική. Ουσιαστικά, ο διαχωρισμός μεταξύ των διαφόρων δεσμών προκύπτει από τη διαφορετική ανά περίπτωση λύση της κυματοσυνάρτησης των ηλεκτρονίων μέσα στο δυναμικό των ατομικών πυρήνων.

Ατομικά φάσματα

Υπό φυσιολογικές συνθήκες ένα άτομο βρίσκεται στη λεγόμενη θεμελιώδη στάθμη δηλ. σε κατάσταση ελάχιστης (χαμηλότερης) ενέργειας. Καταστάσεις μεγαλύτερης ενέργειας ονομάζονται διεγερμένες καταστάσεις. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να μεταφερθεί από μία στάθμη χαμηλότερης ενέργειας σε μία υψηλότερης απορροφώντας ένα φωτόνιο με ενέργεια ίση με την διαφορά ενεργειών των δύο σταθμών. Ένα ηλεκτρόνιο σε υψηλής ενέργειας στάθμη μπορεί να επανέλθει σε μια στάθμη χαμηλότερης ενέργειας εκπέμποντας ένα φωτόνιο. Καθώς τα ηλεκτρόνια σε κάθε στοιχείο χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένες τιμές ενεργειακών επιπέδων, η εκπομπή φωτονίων από το κάθε άτομο δημιουργεί ένα μοναδικό φάσμα φωτός.
Αν διεγερθούν (πχ. με θέρμανση ή ακτινοβόληση)  τα άτομα, τα ηλεκτρόνια τους θα μεταφερθούν σε διεγερμένες καταστάσεις. Όταν αυτά τα ηλεκτρόνια και κατ' επέκταση και τα άτομα  επιστρέψουν στην θεμελιώδη κατάσταση, παράγεται το φάσμα εκπομπής. Αν τα άτομα διεγερθούν από φως συνεχούς φάσματος, θα απορροφήσουν φωτόνια συγκεκριμένων μόνο μηκών κύματος, με ενέργεια ίση με τη διαφορά των ενεργειακών του επιπέδων. Η τελική εικόνα των κενών στο αρχικό φάσμα ονομάζεται φάσμα απορρόφησης.
Στη φασματοσκοπική ανάλυση, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν έναν φασματογράφο για να μελετήσουν τα άτομα σε διάφορα αντικείμενα ή και στα άστρα. Χάρις στις ξεχωριστές φασματικές γραμμές που παράγει κάθε στοιχείο, είναι σε θέση να προβλέψουν τη χημική σύσταση των αντικειμένων που μελετούν.
Το ατομικό φάσμα δε βρίσκεται εξ ολοκλήρου μέσα στην περιοχή του ορατού ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Για παράδειγμα, οι μεταβάσεις υπέρλεπτης δομής (μαζί με αυτές και η σημαντική γραμμή στα 21cm) παράγουν χαμηλής ενέργειας ραδιοκύματα. Όταν τα ηλεκτρόνια κοντά στον πυρήνα εκπεμφθούν από το άτομο (για παράδειγμα με χρήση ακτινοβολίας βήτα), άλλα ηλεκτρόνια μεγαλύτερων σταθμών παίρνουν τη θέση των πρώτων εκπέμποντας υψηλής ενέργειας ακτίνες Χ.

Αντιύλη

Η αντιύλη μπορεί να δημιουργήσει άτομα με τη βοήθεια ποζιτρονίων, αντιπρωτονίων και αντινετρονίων. Καθώς η αντιύλη είναι δύσκολο να παραχθεί και να αποθηκευτεί και επειδή όταν έρθει σε επαφή με την κανονική ύλη παρατηρείται άμεση αλληλοεξουδετέρωση μέσα σε έκλαμψη ενέργειας, έχει παραχθεί μόνο μία μικρή ποσότητα αντιυδρογόνου στο CERN κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ATHENA και ATRAP με τη χρήση επιβραδυντή αντιπρωτονίων.

Άτομα και η Μεγάλη Έκρηξη

Στα μοντέλα της Μεγάλης Έκρηξης, η νουκλεοσύνθεση της Μεγάλης Έκρηξης προβλέπει ότι τα πρώτα ένα έως τρία λεπτά δημιουργήθηκε σχεδόν όλη η ατομική μάζα στο σύμπαν. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, πυρήνες υδρογόνου και ηλίου σχηματίστηκαν σε αφθονία, αλλά σχεδόν κανένα άλλο στοιχείο βαρύτερο του λιθίου. Το υδρογόνο αποτελεί περίπου το 75% των ατόμων του σύμπαντος, το ήλιο το 24% ενώ το υπόλοιπο 1% ανήκει στα υπόλοιπα στοιχεία. Ωστόσο, παρόλο που πυρήνες (πλήρως ιονισμένα άτομα) σχηματίστηκαν, ουδέτερα άτομα δε μπόρεσαν να σχηματιστούν λόγω υψηλής θερμότητας.
379.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν η κοσμική θερμοκρασία είχε πέσει στους περίπου 3000K, οι συνθήκες έγιναν κατάλληλες ώστε οι πυρήνες να συλλάβουν ηλεκτρόνια και έτσι σχηματίστηκαν τα πρώτα ουδέτερα άτομα. Με το σχηματισμό των ατόμων, μόνο φωτόνια συγκεκριμένων ενεργειών μπορούσαν να απορροφηθούν και να εκπεμφθούν. Αυτά τα φωτόνια είναι ακόμα και σήμερα ανιχνεύσιμα στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.
Μετά την αρχική νουκλεοσύνθεση δε δημιουργήθηκαν βαρύτερα στοιχειά παρά μόνο μετά το σχηματισμό των πρώτων άστρων. Σε αυτά τα άστρα έλαβε χώρα η σύντηξη πυρήνων ατόμων προς βαρύτερους πυρήνες. Η παραγωγή των βαρύτερων αυτών πυρήνων τελικά επέτρεψε τον σχηματισμό πλανητών όπως η Γη.