Nguyên tử

Từ nguyên

Tên tiếng Anh "atom" xuất phát từ tiếng Hy Lạp ἄτομος (atomos, "vô hình") từ ἀ- (a-, "không") và τέμνω (temnō, "cắt"), có nghĩa là không cắt được, hoặc vô hình, một thứ không thể chia cắt được. Khái niệm nguyên tử là thành phần vô hình của vật chất do các nhà triết học Ấn Độ và Hy Lạp đề xuất ra đầu tiên. Trong thế kỷ thứ 18 và 19, các nhà hóa học nêu ra một cơ sở vật lý cho ý tưởng này bằng cách chỉ ra có những chất không thể bị bẻ gãy bởi phương pháp hóa học, và họ lấy tên gọi từ các nhà triết học cổ đại là nguyên tử để đặt cho các thực thể hóa học. Trong giai đoạn cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý đã phát hiện ra những thành phần hạ nguyên tử và cấu trúc bên trong nguyên tử, và do vậy chứng minh "nguyên tử" hóa học có thể phân chia được và tên gọi này có thể không miêu tả đúng bản chất của chúng. Tuy nhiên, nó đã trở thành một thuật ngữ khoa học hiện đại. Điều này cũng dẫn đến những tranh luận về liệu những nhà triết học cổ đại, những người định nghĩa các vật vô hình và không thể phân chia được có phải là cho những nguyên tử hóa học hiện đại hay là cho những hạt hạ nguyên tử vô hình như lepton hay quark, hay thậm chí cho những hạt cơ bản hơn mà chưa phát hiện ra.

Nguyên tử luận

Khái niệm về vật chất là tổ hợp của những đơn vị rời rạc và không thể chia nhỏ hơn đã xuất hiện từ nhiều thiên niên kỷ, nhưng những khái niệm này thường là những lập luận triết học và trừu tượng hơn là dựa trên những quan sát thực nghiệm. Bản chất của nguyên tử trong triết học thay đổi theo thời gian giữa nhiều nền văn minh và trường phái cổ đại, đa số có yếu tố tinh thần siêu hình học. Tuy vậy, khái niệm cơ bản về nguyên tử được các nhà khoa học hàng nghìn năm sau chấp nhận bởi vì nó giải thích một cách đơn giản một số khám phá mới trong lĩnh vực hóa học.
Các nhà triết học cổ đại Hy Lạp và Ấn Độ đã nhắc tới khái niệm nguyên tử. Ở Ấn Độ, những trường phái Ājīvika, Jain, và Cārvāka bàn về nguyên tử luận bắt đầu từ thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên. Hệ thống tư tưởng Nyaya và Vaisheshika sau đó phát triển thuyết về nguyên tử khi đề ra cách các nguyên tử kết hợp lại thành thực thể phức tạp hơn. Ở phương Tây, nguyên tử luận được nhắc đến từ thế kỷ 5 TCN bởi Leucippus, và người học trò của ông Democritos đã tiếp nối và hệ thống hóa lý luận. Khoảng giao đoạn 450 TCN, Democritos đưa ra thuật ngữ átomos (tiếng Hy Lạp: ἄτομος), có nghĩa là "không thể cắt được" hay "hạt vô hình nhỏ nhất của vật chất". Mặc dù các khái niệm này của các triết gia Ấn Độ và Hy Lạp cổ đại thuần túy dựa vào mặt tinh thần, khoa học hiện đại đã bảo lưu thuật ngữ do Democritos đưa ra.
Lý thuyết về những hạt rất nhỏ (Corpuscularianism) do nhà giả kim Geber nêu ra từ thế kỷ XIII, đôi khi có người cho là bởi Paul từ Taranto nêu ra, đó là mọi vật thể chứa bên trong và những hạt hoặc những tiểu thể rất nhỏ. Chủ nghĩa này giống với nguyên tử luận, ngoại trừ nguyên từ được giả thiết là hạt vô hình, và những hạt về nguyên lý có thể phân chia được. Theo lý thuyết này, ví dụ, người ta cho rằng thủy ngân có thể thấm vào kim loại và làm thay đổi cấu trúc bên trong của nó. Corpuscularianism là lý thuyết nổi bật trong vài trăm năm sau đó.
Năm 1661, nhà triết học tự nhiên Robert Boyle xuất bản cuốn The Sceptical Chymist trong đó ông lập luận rằng vật chất là tổ hợp của rất nhiều "tiểu thể" hay nguyên tử, hơn là bởi bốn yếu tố cơ bản là không khí, đất, nước và lửa. Trong những năm 1670 lý thuyết về các tiểu thể được Isaac Newton áp dụng vào lý thuyết các hạt ánh sáng của ông.

Nguồn gốc lý thuyết khoa học

Tiến trình nghiên cứu về nguyên tử không xuất hiện cho tới tận khi ngành khoa học hóa học bắt đầu phát triển. Năm 1789, thương nhân và khoa học gia người Pháp Antoine Lavoisier khám phá ra định luật bảo toàn khối lượng và nêu ra ý niệm về nguyên tố là chất cơ bản không thể phân tách bằng những phương pháp hóa học.
Năm 1805, nhà triết học và giảng sư người Anh John Dalton sử dụng khái niệm nguyên tử nhằm giải thích tại sao các nguyên tố luôn luôn phản ứng theo những tỉ số tự nhiên nhỏ (định luật Dalton) và tại sao có những loại khí hòa tan vào nước tốt hơn những khí khác. Ông đề xuất rằng mỗi nguyên tố chứa những nguyên tử cùng loại, duy nhất, và những nguyên tử này kết hợp với nhau tạo nên các hợp chất hóa học. Các nhà lịch sử khoa học coi Dalton là người tiên phong trong lý thuyết nguyên tử hiện đại.
Giả thuyết nguyên tử của Dalton không nêu cụ thể kích thước nguyên tử là bao nhiêu. Theo cảm nhận thông thường chúng phải rất nhỏ, nhưng không ai biết nhỏ bao nhiêu. Do vậy vào năm 1865 nhà hóa học người Áo Johann Josef Loschmidt đã có bước đột phá khi ông đo được kích cỡ của phân tử trong không khí.
Một dòng bổ sung lý luận hỗ trợ lý thuyết hạt (và do vậy mở rộng thuyết nguyên tử) là vào đầu năm 1827 khi nhà thực vật học Scotland Robert Brown sử dụng kính hiển vi để quan sát các hạt bụi trôi nổi trên mặt nước và ông nhận thấy chúng di chuyển zic-zac—một hiện tượng ngày nay gọi là "chuyển động Brown". Năm 1877 J. Desaulx đề xuất hiện tượng này có nguyên nhân từ chuyển động nhiệt của các phân tử nước, và tới tận năm 1905 nhà vật lý người Đức Albert Einstein mới nêu ra phân tích toán lý đầu tiên về chuyển động này. Sau đấy, nhà vật lý người Pháp Jean Perrin dựa trên nghiên cứu của Einstein tiến hành thí nghiệm xác định được khối lượng và kích thước nguyên tử, và xác nhận lý thuyết nguyên tử của Dalton.
Năm 1869, dựa trên các khám phá trước đó của những nhà khoa học như Lavoisier, nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev lần đầu tiên công bố bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Trên bảng này thể hiện tính chất hóa học một cách tuần hoàn giữa các nguyên tố, ông phát hiện ra tính lặp lại tuần hoàn của các nguyên tố khi sắp xếp chúng theo nguyên tử số.

Hạt cấu thành và lý thuyết lượng tử

Nhà vật lý J. J. Thomson, thông qua nghiên cứu trên chùm tia ca tốt năm 1897, đã phát hiện ra electron, và kết luận rằng chúng là một thành phần của mỗi nguyên tử. Do vậy ông vượt qua niềm tin lâu nay cho rằng nguyên tử là những hạt vô hình, không thể phân chia của vật chất. Thomson đề xuất các hạt điện tích âm electron khối lượng nhỏ phân bố đều trên nguyên tử, có thể quay quanh thành những vòng, và điện tích của chúng cân bằng với sự có mặt của một biển điện tích dương. Mô hình này sau đó được gọi là mô hình mứt mận (Plum pudding model).
Năm 1909, Hans Geiger và Ernest Marsden, lúc đó đang là trợ tá cho Ernest Rutherford, sử dụng tia alpha—lúc đó người ta đã biết là nguyên tử điện tích dương của heli—bắn phá một lá vàng và nhận thấy một tỷ lệ nhỏ các hạt bị lệch với một góc rất lớn so với giá trị tiên đoán theo mô hình Thomson. Rutherford giải thích thí nghiệm với lá vàng bằng giả sử rằng điện tích dương của nguyên tử vàng và phần lớn khối lượng của nó tập trung tại hạt nhân trung tâm của nguyên tử—hay mô hình Rutherford.
Khi làm thí nghiệm với các nguyên tố phóng xạ, năm 1913 nhà hóa học phóng xạ Frederick Soddy phát hiện ra dường như có nhiều hơn một loại nguyên tử tại mỗi vị trí trên bảng tuần hoàn. Và thuật ngữ đồng vị do bác sĩ Margaret Todd đưa ra nhằm gọi tên một cách phù hợp cho những nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố. J.J. Thomson nghĩ ra một kĩ thuật nhằm tách nguyên tử có các đồng vị khác nhau khi ông nghiên cứu trên khí ion hóa, và sau đó dẫn tới khám phá ra đồng vị bền.
Trong khi đó năm 1913, nhà vật lý Niels Bohr đề xuất là các electron bị giam giữ trên những quỹ đạo bị lượng tử hóa nhất định, và chúng có thể nhảy qua lại giữa những quỹ đạo này, nhưng không thể rơi xoắn ốc vào trong hay ra ngoài trong những quỹ đạo trung gian. Một electron phải hấp thụ hoặc phát ra một lượng năng lượng cụ thể khi chuyển dịch giữa hai trạng thái này. Khi ánh sáng từ nguồn vật liệu nung nóng truyền qua một lăng kính, nó bị tách ra thành phổ nhiều tia đơn sắc. Lý thuyết Bohr đã giải thích thành công sự tách ra thành nhiều vạch phổ hiđrô tương ứng với sự chuyển dịch electron giữa các obitan.
Sau đấy trong cùng năm Henry Moseley cung cấp thêm chứng cứ thực nghiệm ủng hộ lý thuyết Niels Bohr. Những kết quả thí nghiệm này cũng tinh chỉnh mô hình của Ernest Rutherford và của Antonius Van den Broek, và thí nghiệm cho thấy nguyên tử chứa trong nó hạt nhân có số điện tích hạt nhân bằng với số thứ tự của chúng trên bảng tuần hoàn. Cho đến tận khi có các thí nghiệm của Moseley, nguyên tử số vẫn chưa được biết là một đại lượng vật lý và xác nhận bằng thực nghiệm. Nguyên tử số bằng điện tích của hạt nhân vẫn được chấp nhận trong mô hình nguyên tử hiện đại ngày nay.
Liên kết hóa học giữa các nguyên tử đến lượt được giải thích bởi Gilbert Newton Lewis năm 1916, bằng tương tác giữa các electron trong chúng. Khi đã biết tính chất hóa học của các nguyên tố lặp lại tuần hoàn trên bảng tuần hoàn, năm 1919 nhà hóa học Irving Langmuir đề xuất tính tuần hoàn có thể giải thích được nếu electron trong một nguyên tử được kết nối hay nhóm lại theo một cách nào đó. Nhóm các electron được cho là chiếm giữ vào một tập hợp lớp vỏ electron quanh hạt nhân.
Thí nghiệm Stern–Gerlach thực hiện năm 1922 mang đến kết quả thực nghiệm ủng hộ cho bản chất lượng tử của nguyên tử. Khi một chùm nguyên tử bạc cho phóng qua một từ trường không đều, chùm tia sẽ bị tách ra trên màn thu tuân theo hướng của động lượng nguyên tử, hay spin lượng tử. Nếu hướng của spin là phân bố ngẫu nhiên, thì trên màn thu sẽ thu được một dải bạc liên tục. Tuy vậy, hai nhà vật lý lại thu được kết quả là có hai phần rõ rệt, chỉ phụ thuộc vào spin nguyên tử định hướng lên hay xuống.
Năm 1924, Louis de Broglie dựa trên ý tưởng của Einstein về sóng điện từ có lúc thể hiện tính chất hạt (photon) và đề xuất ngược lại là mọi hạt có tính chất dạng sóng của chúng. Năm 1926, Erwin Schrödinger sử dụng đề xuất này nhằm phát triển mô hình toán học về nguyên tử miêu tả các electron như dạng sóng ba chiều hơn là các hạt điểm. Một hệ quả của cách sử dụng các hàm sóng miêu tả hành xử của hạt đó là về mặt toán học không thể nhận được giá trị chính xác về cả vị trí và động lượng của một hạt trong cùng một thời gian; đây chính là nội dung của nguyên lý bất định do nhà vật lý Werner Heisenberg phát biểu năm 1926. Trong khái niệm này, mỗi khi chúng ta đo chính xác vị trí của hạt chúng ta sẽ chỉ nhận được một khoảng các giá trị có thể cho động lượng, và ngược lại. Mô hình này cũng giải thích được những kết quả thực nghiệm về hành xử của nguyên tử mà những mô hình khác không làm được, như là những cấu trúc xác định và dải phổ của những nguyên tử lớn hơn nguyên tử hiđrô. Từ đó, mô hình hành tinh nguyên tử miêu tả các electron quay trên quỹ đạo quanh hạt nhân bị bác bỏ và thay thế vào đó là các electron ở những vùng gọi là obitan nguyên tử tương ứng với xác suất phân bố của electron.
Các phổ kế khối lượng phát minh ra đã cho phép đo được chính xác khối lượng của nguyên tử. Thiết bị này sử dụng một nam châm làm lệch quỹ đạo của chùm tia ion, và góc lệch đo được bằng tỉ số của khối lượng nguyên tử và điện tích của nó. Nhà hóa học Francis William Aston đã sử dụng thiết bị này để chứng tỏ rằng các đồng vị có khối lượng khác nhau. Khối lượng nguyên tử của những đồng vị cùng một nguyên tố chỉ chênh nhau theo bội nguyên của một hằng số. Để giải thích cho sự khác biệt kỳ lạ về khối lượng đồng vị phải đợi đến tận khi khám phá ra neutron, hạt trung hòa điện có khối lượng hơi lớn hơn khối lượng proton, do nhà vật lý James Chadwick phát hiện năm 1932. Do vậy các đồng vị được giải thích như là các nguyên tố có cùng số proton và khác nhau về số neutron ở hạt nhân của chúng.

Phân hạch, vật lý năng lượng cao và vật chất ngưng tụ

Năm 1938, nhà hóa học người Đức Otto Hahn, học trò của Rutherford, đã hướng chùm neutron vào các nguyên tử urani nhằm mục đích tạo ra các nguyên tố siêu urani. Thay vào đó ông lại nhận được từ kết quả thí nghiệm hóa học là sản phẩm bari. Một năm sau, Lise Meitner và người cháu trai của Otto Hahn là Otto Frisch xác nhận kết quả Hahn thu được là thực nghiệm đầu tiên về sự phân hạch hạt nhân. Năm 1944, Otto Hahn nhận giải Nobel Hóa học. Mặc dù Hahn đã nỗ lực kêu gọi Ủy ban Nobel trao giải cho Meitner và Frisch nhưng ông đã không thành công.
Trong thập niên 1950, với sự phát triển nhanh chóng của các máy gia tốc hạt và máy dò hạt đã cho phép các nhà khoa học nghiên cứu va chạm của các hạt nhân và nguyên tử ở mức năng lượng cao. Họ nhận thấy hạt neutron và proton là những loại hạt hadron, hay hạt tổ hợp của những hạt nhỏ hơn gọi là quark. Lý thuyết Mô hình chuẩn của vật lý hạt được phát triển và đã rất thành công trong giải thích tính chất của hạt nhân theo sự phân loại thành các hạt hạ nguyên tử và các tương tác chi phối thế giới lượng tử.

Mức năng lượng

Các nhà vật lý quy ước thế năng của một electron trong nguyên tử có giá trị âm, và phụ thuộc vào vị trí của nó trong nguyên tử. Nó có giá trị cực tiểu khi nằm ở gần hạt nhân nhất và quy ước bằng 0 khi nó nằm xa vô cùng so với hạt nhân, hay thế năng của nó tỉ lệ nghịch với khoảng cách. Trong mô hình cơ học lượng tử, một electron liên kết chỉ có thể chiếm những trạng thái lượng tử xung quanh hạt nhân, và mỗi trạng thái tương ứng với một mức năng lượng xác định; xem phương trình Schrödinger độc lập thời gian về cách giải thích lý thuyết. Mức năng lượng có thể đo bằng lượng năng lượng cần thiết để bứt electron tại trạng thái đó ra xa vô cùng, và có đơn vị electronvolt (eV). Trạng thái năng lượng thấp nhất của electron liên kết gọi là trạng thái năng lượng nền và khi một electron chuyển dịch sang mức năng lượng cao hơn thì nó ở vào trạng thái kích thích. Năng lượng của electron tăng lên khi số lượng tử chính n tăng bởi vì khoảng cách trung bình đến hạt nhân tăng. Sự phụ thuộc năng lượng vào số lượng tử xung lượng ℓ không phải là do thế năng tĩnh điện với hạt nhân mà là bởi tương tác giữa các electron.
Khi một electron chuyển dịch giữa hai trạng thái năng lượng, nó phải hấp thụ hoặc phát ra một photon có năng lượng bằng hiệu giữa hai trạng thái năng lượng này. Năng lượng của một photon tỷ lệ với tần số của nó, do đó những mức năng lượng xác định này hiện lên thành những dải phân biệt trong phổ điện từ. Mỗi nguyên tố có một phổ đặc trưng phụ thuộc vào điện tích hạt nhân, cấu hình electron, tương tác điện từ giữa các electron và bởi những nhân tố khác.
Khi ánh sáng với phổ năng lượng liên tục truyền qua chất khí hay plasma, một số nguyên tử hấp thụ photon, khiến cho các electron thay đổi mức năng lượng của nó. Những electron kích thích này vẫn liên kết với nguyên tử của nó và tự phát phóng thích năng lượng qua phát ra photon theo hướng ngẫu nhiên, và trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn. Do vậy nguyên tử thể hiện như một máy lọc tạo ra một dãy các vạch tối trong phổ năng lượng phát ra. (Một người quan sát nguyên tử khi chùm sáng chiếu qua chúng sẽ thấy khi lọc bỏ phổ liên tục thu được dãy phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tử.) Đo lường phổ về cường độ và độ rộng của các vạch phổ nguyên tử cho phép các nhà khoa học xác định được thành phần và tính chất vật lý của chất cần nghiên cứu.
Khi nghiên cứu kĩ hơn phổ nguyên tử các nhà vật lý nhận thấy có sự tách vạch trong cấu trúc tế vi. Sự xuất hiện này là do hiệu ứng spin-quỹ đạo tương đối tính, khi tính đến ảnh hưởng giữa chuyển động của electron lớp ngoài cùng với spin của nó. Khi nguyên tử đặt trong từ trường ngoài, các vạch phổ của nó bị tách thành ba hoặc nhiều vạch; hay hiệu ứng Zeeman. Hiệu ứng này là do tương tác của từ trường ngoài với mômen từ của nguyên tử và của electron. Một số nguyên tử có nhiều cấu hình electron với cùng một mức năng lượng, do đó vạch phổ thu được là giống nhau cho những cấu hình này. Khi nguyên tử tương tác với từ trường làm dịch chuyển những cấu hình electron đến một mức năng lượng hơi khác, làm cho xuất hiện nhiều vạch phổ trên quang phổ thu được. Sự có mặt của một điện trường ngoài cũng làm tách và dịch chuyển vạch phổ và thay đổi đáng kể mức năng lượng của electron, hay hiệu ứng Stark.
Nếu electron liên kết trong trạng thái kích thích, một photon tương tác với năng lượng riêng có thể gây ra hiệu ứng phát xạ kích thích cho một photon với năng lượng phù hợp với mức kích thích. Để điều này xảy ra, electron phải trở về trạng thái năng lượng thấp hơn mà có hiệu năng lượng giữa hai trạng thái chuyển dịch bằng với năng lượng của photon tương tác. Photon phát ra và photon tương tác di chuyển song song và có cùng pha với nhau, phản xạ qua lại giữa hai gương. Khi đó, phần sóng của hai photon được đồng bộ hóa. Tính chất vật lý này được ứng dụng để chế tạo các loại laser, một chùm sóng điện từ kết hợp với tần số đồng bộ.

Quan sát và thăm dò

Các nhà khoa học sử dụng kính hiển vi quét chui hầm là thiết bị quan sát bề mặt vật liệu ở cấp nguyên tử. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên hiệu ứng đường hầm lượng tử, hiệu ứng cho phép các hạt đi qua rào cản là giếng thế mà về mặt trực giác vĩ mô là không thể. Các electron chui hầm qua chân không giữa hai điện cực kim loại đồng phẳng, trên mỗi phía có một nguyên tử hấp thụ electron, dẫn đến xuất hiện mật độ dòng điện mà có thể đo được. Khi đầu dò được quét trên bề mặt mẫu, sẽ xuất hiện các điện tử di chuyển từ bề mặt mẫu sang mũi dò do hiệu ứng chui hầm lượng tử và việc ghi lại dòng chui hầm (do một hiệu điện thế đặt giữa mũi dò và mẫu) này sẽ cho các thông tin về cấu trúc bề mặt.
Khi nguyên tử bị mất một vài electron nó trở thành ion. Khi là hạt điện tích quỹ đạo của nó bị lệch đi trong từ trường. Đo được bán kính độ lệch quỹ đạo của ion cho phép chúng ta xác định được khối lượng của nguyên tử. Thiết bị phổ khối kế dựa trên nguyên lý này để đo tỉ số khối lượng trên điện tích của các ion. Nếu một chứa nhiều ion, phổ khối có thể xác định được tỉ lệ của mỗi đồng vị trong mẫu bằng cách đo cường độ của nhiều chùm ion khác nhau. Kỹ thuật làm bay hơi nguyên tử bao gồm "phổ kế phát xạ cặp nguyên tử plasma cảm ứng" và "phổ kế khối lượng cặp plasma cảm ứng", cả hai kỹ thuật sử dụng plasma làm bay hơi mẫu để phân tích.
Một phương pháp hay dùng nữa là phổ tổn hao năng lượng điện tử, dựa trên việc ghi và phân tích phần năng lượng bị mất mát của chùm electron trong kính hiển vi điện tử truyền qua do tán xạ không đàn hồi khi truyền qua mẫu vật rắn. Phương pháp thăm dò nguyên tử (atom probe) có độ phân giải dưới nanômét và thu được ảnh 3-D cũng như xác định được đặc tính hóa học của từng nguyên tử thông qua phổ khối thời gian truyền.
Phổ của trạng thái nguyên tử kích thích được dùng để phân tích thành phần nguyên tử trong các sao ở xa. Các nhà thiên văn có thể tách những bước sóng điện từ đặc trưng trong ánh sáng phát ra từ ngôi sao và liên hệ nó với sự dịch chuyển lượng tử trong nguyên tử khí tự do. Những màu này (bước sóng) có thể được sao chép bằng cách sử dụng đèn phóng điện qua khí (gas-discharge lamp) chứa cùng nguyên tố trên ngôi sao. Đặc biệt nguyên tử Heli đã được phát hiện theo cách này khi nghiên cứu phổ Mặt Trời sớm 23 năm trước khi nó được phát hiện có tồn tại trên Trái Đất.

Nguồn gốc và trạng thái hiện tại

Nguyên tử chiếm khoảng 4,9% tổng mật độ năng lượng trong Vũ trụ quan sát được (còn lại là vật chất tối và năng lượng tối), với mật độ trung bình khoảng 0,25 nguyên tử/m³. Trong một thiên hà như Ngân Hà, nguyên tử có độ tập trung cao hơn, với mật độ vật chất bên trong môi trường liên sao (ISM) từ 10⁵ đến 10⁹ nguyên tử/m³. Mặt Trời nằm trong Bong bóng địa phương, một vùng tập trung khí ion hóa cao, do vậy mật độ ở môi trường lân cận hệ Mặt Trời trung bình vào khoảng 10³ nguyên tử/m³. Các ngôi sao hình thành từ những đám mây đậm đặc trong ISM, và quá trình tiến hóa của sao dần dần làm giàu môi trường trong ISM với các nguyên tố nặng hơn hiđrô và heli. Có tới 95% nguyên tử trong Ngân Hà tập trung bên trong các ngôi sao và tổng khối lượng nguyên tử chiếm khoảng 10% khối lượng toàn thiên hà. (phần khối lượng còn lại đa số là vật chất tối.)

Sự hình thành

Electron tồn tại trong Vũ trụ từ giai đoạn sơ khai sau Vụ nổ lớn. Hạt nhân nguyên tử hình thành trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Quá trình tổng hợp hạt nhân sau Vụ nổ lớn tạo ra phần lớn heli, liti, và deuteri trong Vũ trụ, và có lẽ là berili và bo.
Sự tồn tại khắp nơi và tính ổn định của nguyên tử dựa trên năng lượng liên kết của nó, có nghĩa là nguyên tử có năng lượng thấp hơn so với một hệ không liên kết gồm hạt nhân và các electron. Khi nhiệt độ cao hơn năng lượng ion hóa nguyên tử, vật chất tồn tại ở trạng thái plasma – chất khí chứa ion điện tích dương (hoặc thậm chí cả hạt nhân trần trụi) và electron. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới mức năng lượng ion hóa, các nguyên tử bắt đầu hình thành theo các định luật của vật lý thống kê. Nguyên tử (khi đã bắt các electron) trở lên vượt trội so với các hạt tích điện sau 380.000 năm từ Big Bang— một kỷ nguyên gọi là "tái kết hợp", khi Vũ trụ giãn nở ra và lạnh đi cho phép các electron gắn kết được với hạt nhân.
Do Vụ nổ lớn không sinh ra cacbon hoặc nguyên tử nặng hơn, hạt nhân nguyên tử được sản sinh trong lòng các ngôi sao thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân để tạo ra nhiều nguyên tố heli hơn, và (thông qua quá trình bộ ba heli) sản sinh ra các nguyên tố cacbon cho tới sắt; xem thêm tổng hợp hạt nhân sao.
Những loại đồng vị như liti-6, cũng như một số đồng vị berilli và bo sản sinh trong không gian thông qua phản ứng bắn phá của tia vũ trụ. Khi chùm tia proton năng lượng cao va đập vào hạt nhân nguyên tử trong khí quyển Trái Đất, khiến cho một lượng lớn số hạt nhân nhẹ sinh ra.
Những nguyên tố nặng hơn sắt hình thành trong vụ nổ siêu tân tinh thông qua quá trình-r (r-process) và trong các sao nhánh tiệm cận khổng lồ (AGB stars) thông qua quá trình-s (s-process), cả hai quá trình có sự bắt neutron của hạt nhân nguyên tử. Những nguyên tố như chì hình thành từ sản phẩm của quá trình phân rã phóng xạ của các nguyên tố nặng hơn như urani.

Trái Đất

Hầu hết các nguyên tử cấu tạo nên Trái Đất và những thứ tồn tại trên nó đã có mặt trong những tinh vân suy sụp hấp dẫn từ đám mây phân tử để hình thành lên Hệ Mặt Trời. Một số hạt nhân còn lại là sản phẩm của quá trình phân rã, và khi đo được tỷ lệ có mặt của chúng các nhà khoa học có thể xác định được tuổi của Trái Đất thông qua định tuổi bằng đồng vị phóng xạ. Hầu hết heli trong lớp vỏ Trái Đất (khoảng 99% khí heli xuất hiện trong các giếng khai thác khí đốt, và một lượng nhỏ heli-3) là sản phẩm của phản ứng phân rã alpha.
Một vài dấu vết của một số đồng vị nguyên tử trên Trái Đất không có mặt lúc hình thành hệ Mặt Trời (hay không phải là "nguyên thủy"), hay là sản phẩm của quá trình phân rã. Cacbon-14 liên tục được sinh ra từ tia vũ trụ trong khí quyển. Một số nguyên tử trên Trái Đất sinh ra từ các máy gia tốc hay trong lò phản ứng hạt nhân hoặc các vụ thử nghiệm vũ khí nguyên tử. Trong các nguyên tố siêu urani—với số nguyên tử lớn hơn 92—chỉ có plutoni và neptuni xuất hiện trong tự nhiên trên Trái Đất. Các nguyên tố siêu urani có chu kỳ phân rã phóng xạ ngắn hơn tuổi của Trái Đất  và do vậy nếu chúng hình thành nguyên thủy thì cũng đã bị phân rã từ lâu, ngoại trừ có một ít plutoni-244 xuất hiện trong bụi vũ trụ. Nguyên tố plutoni và neptuni có trong tự nhiên chủ yếu là sản phẩm của urani bắt neutron và thường thấy ở các quặng urani.
Trái Đất chứa xấp xỉ 1.33×10⁵⁰ nguyên tử. Mặc dù có dạng nguyên tử tồn tại độc lập như các khí hiếm tồn tại ít, như argon, neon, và heli, 99% khí quyển chứa chủ yếu các nguyên tử dạng kết hợp như phân tử, bao gồm cacbon điôxít CO₂ và phân tử hai nguyên tử như ôxy O₂ và nitơ N₂. Tại bề mặt Trái Đất, lượng khổng lồ các nguyên tử kết hợp theo nhiều dạng, bao gồm nước H₂O, muối, silicat và các ôxít. Nguyên tử cũng kết hợp lại thành vật liệu không chứa phân tử rời rạc, bao gồm tinh thể và chất lỏng hoặc kim loại rắn. Dạng vật chất rắn nguyên tử này tạo nên mạng lưới tinh thể mà thiếu đi loại đặc biệt của trật tự bị ngắt cỡ nhỏ mà thường gặp ở dạng vật chất phân từ.