Nguyen tu la đon vi co ban cua vat chat chua mot hat nhan o trung tam bao quanh boi đam may đien tich am cac electron (am đien tu). Hat nhan nguyen tu la dang gan ket hon hop giua cac proton (duong đien tu) mang đien tich duong va cac neutron (trung hoa tu) trung hoa đien (ngoai tru truong hop cua nguyen tu Hydrogen, voi hat nhan on đinh chi chua mot proton duy nhat khong co neutron). Electron cua nguyen tu lien ket voi hat nhan boi tuong tac đien tu va tuan theo cac nguyen ly cua co hoc luong tu. Tuong tu nhu vay, nhom cac nguyen tu lien ket voi nhau boi lien ket hoa hoc dua tren cung mot tuong tac nay, va tao nen phan tu. Mot nguyen tu chua so hat electron bang so hat proton thi trung hoa ve đien tich, trong khi so electron neu nhieu hoac it hon thi no mang đien tich am hoac duong va goi la ion. Nguyen tu đuoc phan loai tuan theo so proton va neutron trong hat nhan cua no: so proton xac đinh len nguyen to hoa hoc, va so neutron xac đinh đong vi cua nguyen to đo.
Ten goi nguyen tu hoa hoc ma hay goi đon gian la "nguyen tu" la nhung đoi tuong rat nho voi đuong kinh chi khoang vai phan muoi nano met va co khoi luong rat nho ty le voi the tich cua nguyen tu. Chung ta co the quan sat nguyen tu đon le bang cac thiet bi nhu kinh hien vi quet chui ham. Tren 99,94% khoi luong nguyen tu tap trung tai hat nhan, voi tong khoi luong proton xap xi bang tong khoi luong neutron. Moi nguyen to co it nhat mot đong vi voi hat nhan khong on đinh co the trai qua qua trinh phan ra phong xa. Qua trinh nay dan đen bien đoi hat nhan lam thay đoi so proton hoac neutron trong hat nhan nguyen tu. Electron lien ket trong nguyen tu co nhung muc nang luong on đinh roi rac, hay orbital, va chung co the chuyen dich giua 2 muc nang luong bang hap thu hay phat ra photon co nang luong đung bang hieu giua 2 muc nang luong nay. Cac electron co vai tro xac đinh len tinh chat hoa hoc cua mot nguyen to, va anh huong manh toi tinh chat tu tinh cua nguyen tu cung nhu vat lieu. Nhung nguyen ly cua co hoc luong tu đa mo ta thanh cong cac tinh chat quan sat thay cua nguyen tu va la nen tang cho ly thuyet nguyen tu va hat ha nguyen tu (hat quark, proton, neutron,...).


Tu nguyen Ten tieng Anh "atom" xuat phat tu tieng Hy Lap ατομος (atomos, "vo hinh") tu α- (a-, "khong") va τεμνω (temno, "cat"), co nghia la khong cat đuoc, hoac vo hinh, mot thu khong the chia cat đuoc. Khai niem nguyen tu la thanh phan vo hinh cua vat chat do cac nha triet hoc An Đo va Hy Lap đe xuat ra đau tien. Trong the ky thu 18 va 19, cac nha vat ly neu ra mot co so vat ly cho y tuong nay bang cach chi ra co nhung chat khong the bi be gay boi phuong phap hoa hoc, va ho lay ten goi tu cac nha triet hoc co đai la nguyen tu đe đat cho cac thuc the hoa hoc. Trong giai đoan cuoi the ky 19 va đau the ky 20, cac nha vat ly đa phat hien ra nhung thanh phan ha nguyen tu va cau truc ben trong nguyen tu, va do vay chung minh "nguyen tu" hoa hoc co the phan chia đuoc va ten goi nay co the khong mieu ta đung ban chat cua chung. Tuy nhien, no đa tro thanh mot thuat ngu khoa hoc hien đai. Đieu nay cung dan đen nhung tranh luan ve lieu nhung nha triet hoc co đai, nhung nguoi đinh nghia cac vat vo hinh va khong the phan chia đuoc co phai la cho nhung nguyen tu hoa hoc hien đai hay la cho nhung hat ha nguyen tu vo hinh nhu lepton hay quark, hay tham chi cho nhung hat co ban hon ma chua phat hien ra.
Tu nguyen tu trong tieng Viet bat nguon tu tieng Han goc Nhat 原子 (binh am: yuanzi, tieng Nhat: genshi). Voi nguyen trong nguyen thuy va tu trong phan tu.


Lich su = Nguyen tu luan =
Khai niem ve vat chat la to hop cua nhung đon vi roi rac va khong the chia nho hon đa xuat hien tu nhieu thien nien ky, nhung nhung khai niem nay thuong la nhung lap luan triet hoc va truu tuong hon la dua tren nhung quan sat thuc nghiem. Ban chat cua nguyen tu trong triet hoc thay đoi theo thoi gian giua nhieu nen van minh va truong phai co đai, đa so co yeu to tinh than sieu hinh hoc. Tuy vay, khai niem co ban ve nguyen tu đuoc cac nha khoa hoc hang nghin nam sau chap nhan boi vi no giai thich mot cach đon gian mot so kham pha moi trong linh vuc hoa hoc.

Cac nha triet hoc co đai Hy Lap va An Đo đa nhac toi khai niem nguyen tu. O An Đo, nhung truong phai Ajivika, Jain, va Carvaka ban ve nguyen tu luan bat đau tu the ky thu 6 truoc Cong nguyen. He thong tu tuong Nyaya va Vaisheshika sau đo phat trien thuyet ve nguyen tu khi đe ra cach cac nguyen tu ket hop lai thanh thuc the phuc tap hon. O phuong Tay, nguyen tu luan đuoc nhac đen tu the ky 5 TCN boi Leucippus, va nguoi hoc tro cua Democritos đa tiep noi va he thong hoa ly luan. Khoang giai đoan 450 TCN, Democritos đua ra thuat ngu atomos (tieng Hy Lap: ατομος), co nghia la "khong the cat đuoc" hay "hat vo hinh nho nhat cua vat chat". Mac du cac khai niem nay cua cac triet gia An Đo va Hy Lap co đai thuan tuy dua vao mat tinh than, khoa hoc hien đai đa bao luu thuat ngu do Democritos đua ra.
Ly thuyet ve nhung hat rat nho (Corpuscularianism) do nha gia kim Geber neu ra tu the ky XIII, đoi khi co nguoi cho la boi Paul tu Taranto neu ra, đo la moi vat the chua ben trong va nhung hat hoac nhung tieu the rat nho. Chu nghia nay giong voi nguyen tu luan, ngoai tru nguyen tu đuoc gia thiet la hat vo hinh, va nhung hat ve nguyen ly co the phan chia đuoc. Theo ly thuyet nay, vi du, nguoi ta cho rang thuy ngan co the tham vao kim loai va lam thay đoi cau truc ben trong cua no. Corpuscularianism la ly thuyet noi bat trong vai tram nam sau đo.
Nam 1661, nha triet hoc tu nhien Robert Boyle xuat ban cuon The Sceptical Chymist trong đo ong lap luan rang vat chat la to hop cua rat nhieu "tieu the" hay nguyen tu, hon la boi bon nguyen to co ban la khong khi, đat, nuoc va lua. Trong nhung nam 1670 ly thuyet ve cac tieu the đuoc Isaac Newton ap dung vao ly thuyet cac hat anh sang cua ong.


= Nguon goc ly thuyet khoa hoc =

Tien trinh nghien cuu ve nguyen tu khong xuat hien cho toi tan khi nganh khoa hoc hoa hoc bat đau phat trien. Nam 1789, thuong nhan va khoa hoc gia nguoi Phap Antoine Lavoisier kham pha ra đinh luat bao toan khoi luong va neu ra y niem ve nguyen to la chat co ban khong the phan tach bang nhung phuong phap hoa hoc.
Nam 1805, nha triet hoc va giang su nguoi Anh John Dalton su dung khai niem nguyen tu nham giai thich tai sao cac nguyen to luon luon phan ung theo nhung ti so tu nhien nho (đinh luat Dalton) va tai sao co nhung loai khi hoa tan vao nuoc tot hon nhung khi khac. Ong đe xuat rang moi nguyen to chua nhung nguyen tu cung loai, duy nhat, va nhung nguyen tu nay ket hop voi nhau tao nen cac hop chat hoa hoc. Cac nha lich su khoa hoc coi Dalton la nguoi tien phong trong ly thuyet nguyen tu hien đai.
Gia thuyet nguyen tu cua Dalton khong neu cu the kich thuoc nguyen tu la bao nhieu. Theo cam nhan thong thuong chung phai rat nho, nhung khong ai biet nho bao nhieu. Do vay vao nam 1865 nha hoa hoc nguoi Ao Johann Josef Loschmidt đa co buoc đot pha khi ong đo đuoc kich co cua phan tu trong khong khi.
Mot dong bo sung ly luan ho tro ly thuyet hat (va do vay mo rong thuyet nguyen tu) la vao đau nam 1827 khi nha thuc vat hoc Scotland Robert Brown su dung kinh hien vi đe quan sat cac hat bui troi noi tren mat nuoc va ong nhan thay chung di chuyen zic-zac—mot hien tuong ngay nay goi la "chuyen đong Brown". Nam 1877 J. Desaulx đe xuat hien tuong nay co nguyen nhan tu chuyen đong nhiet cua cac phan tu nuoc, va toi tan nam 1905 nha vat ly nguoi Đuc Albert Einstein moi neu ra phan tich toan ly đau tien ve chuyen đong nay. Sau đo, nha vat ly nguoi Phap Jean Perrin dua tren nghien cuu cua Einstein tien hanh thi nghiem xac đinh đuoc khoi luong va kich thuoc nguyen tu, va xac nhan ly thuyet nguyen tu cua Dalton.

Nam 1869, dua tren cac kham pha truoc đo cua nhung nha khoa hoc nhu Lavoisier, nha hoa hoc nguoi Nga Dmitri Mendeleev lan đau tien cong bo bang tuan hoan cac nguyen to hoa hoc. Tren bang nay the hien tinh chat hoa hoc mot cach tuan hoan giua cac nguyen to, ong phat hien ra tinh lap lai tuan hoan cua cac nguyen to khi sap xep chung theo nguyen tu so.


= Hat cau thanh va ly thuyet luong tu =

Nha vat ly J. J. Thomson, thong qua nghien cuu tren chum tia cathode nam 1897, đa phat hien ra electron, va ket luan rang chung la mot thanh phan cua moi nguyen tu. Do vay ong vuot qua niem tin lau nay cho rang nguyen tu la nhung hat vo hinh, khong the phan chia cua vat chat. Thomson đe xuat cac hat đien tich am electron khoi luong nho phan bo đeu tren nguyen tu, co the quay quanh thanh nhung vong, va đien tich cua chung can bang voi su co mat cua mot bien đien tich duong. Mo hinh nay sau đo đuoc goi la mo hinh mut man (Plum pudding model).
Nam 1909, Hans Geiger va Ernest Marsden, luc đo đang la tro ta cho Ernest Rutherford, su dung tia alpha—luc đo nguoi ta đa biet la nguyen tu đien tich duong cua heli—ban pha mot la vang va nhan thay mot ty le nho cac hat bi lech voi mot goc rat lon so voi gia tri tien đoan theo mo hinh Thomson. Rutherford giai thich thi nghiem voi la vang bang gia su rang đien tich duong cua nguyen tu vang va phan lon khoi luong cua no tap trung tai hat nhan trung tam cua nguyen tu—hay mo hinh Rutherford.
Khi lam thi nghiem voi cac nguyen to phong xa, nam 1913 nha hoa hoc phong xa Frederick Soddy phat hien ra duong nhu co nhieu hon mot loai nguyen tu tai moi vi tri tren bang tuan hoan. Va thuat ngu đong vi do bac si Margaret Todd đua ra nham goi ten mot cach phu hop cho nhung nguyen tu khac nhau cua cung mot nguyen to. J.J. Thomson nghi ra mot ki thuat nham tach nguyen tu co cac đong vi khac nhau khi ong nghien cuu tren khi ion hoa, va sau đo dan toi kham pha ra đong vi ben.

Trong khi đo nam 1913, nha vat ly Niels Bohr đe xuat la cac electron bi giam giu tren nhung quy đao bi luong tu hoa nhat đinh, va chung co the nhay qua lai giua nhung quy đao nay, nhung khong the roi xoan oc vao trong hay ra ngoai trong nhung quy đao trung gian. Mot electron phai hap thu hoac phat ra mot luong nang luong cu the khi chuyen dich giua hai trang thai nay. Khi anh sang tu nguon vat lieu nung nong truyen qua mot lang kinh, no bi tach ra thanh pho nhieu tia đon sac. Ly thuyet Bohr đa giai thich thanh cong su tach ra thanh nhieu vach pho hydro tuong ung voi su chuyen dich electron giua cac orbital.
Sau đay trong cung nam Henry Moseley cung cap them chung cu thuc nghiem ung ho ly thuyet Niels Bohr. Nhung ket qua thi nghiem nay cung tinh chinh mo hinh cua Ernest Rutherford va cua Antonius Van den Broek, va thi nghiem cho thay nguyen tu chua trong no hat nhan co so đien tich hat nhan bang voi so thu tu cua chung tren bang tuan hoan. Cho đen tan khi co cac thi nghiem cua Moseley, nguyen tu so van chua đuoc biet la mot đai luong vat ly va xac nhan bang thuc nghiem. Nguyen tu so bang đien tich cua hat nhan van đuoc chap nhan trong mo hinh nguyen tu hien đai ngay nay.
Lien ket hoa hoc giua cac nguyen tu đen luot đuoc giai thich boi Gilbert Newton Lewis nam 1916, bang tuong tac giua cac electron trong chung. Khi đa biet tinh chat hoa hoc cua cac nguyen to lap lai tuan hoan tren bang tuan hoan, nam 1919 nha hoa hoc Irving Langmuir đe xuat tinh tuan hoan co the giai thich đuoc neu electron trong mot nguyen tu đuoc ket noi hay nhom lai theo mot cach nao đo. Nhom cac electron đuoc cho la chiem giu vao mot tap hop lop vo electron quanh hat nhan.
Thi nghiem Stern–Gerlach thuc hien nam 1922 mang đen ket qua thuc nghiem ung ho cho ban chat luong tu cua nguyen tu. Khi mot chum nguyen tu bac cho phong qua mot tu truong khong đeu, chum tia se bi tach ra tren man thu tuan theo huong cua đong luong nguyen tu, hay spin luong tu. Neu huong cua spin la phan bo ngau nhien, thi tren man thu se thu đuoc mot dai bac lien tuc. Tuy vay, hai nha vat ly lai thu đuoc ket qua la co hai phan ro ret, chi phu thuoc vao spin nguyen tu đinh huong len hay xuong.
Nam 1924, Louis de Broglie dua tren y tuong cua Einstein ve song đien tu co luc the hien tinh chat hat (photon) va đe xuat nguoc lai la moi hat co tinh chat dang song cua chung. Nam 1926, Erwin Schrodinger su dung đe xuat nay nham phat trien mo hinh toan hoc ve nguyen tu mieu ta cac electron nhu dang song ba chieu hon la cac hat điem. Mot he qua cua cach su dung cac ham song mieu ta hanh xu cua hat đo la ve mat toan hoc khong the nhan đuoc gia tri chinh xac ve ca vi tri va đong luong cua mot hat trong cung mot thoi gian; đay chinh la noi dung cua nguyen ly bat đinh do nha vat ly Werner Heisenberg phat bieu nam 1926. Trong khai niem nay, moi khi chung ta đo chinh xac vi tri cua hat chung ta se chi nhan đuoc mot khoang cac gia tri co the cho đong luong, va nguoc lai. Mo hinh nay cung giai thich đuoc nhung ket qua thuc nghiem ve hanh xu cua nguyen tu ma nhung mo hinh khac khong lam đuoc, nhu la nhung cau truc xac đinh va dai pho cua nhung nguyen tu lon hon nguyen tu hydro. Tu đo, mo hinh hanh tinh nguyen tu mieu ta cac electron quay tren quy đao quanh hat nhan bi bac bo va thay the vao đo la cac electron o nhung vung goi la orbital nguyen tu tuong ung voi xac suat phan bo cua electron.

Cac pho ke khoi luong phat minh ra đa cho phep đo đuoc chinh xac khoi luong cua nguyen tu. Thiet bi nay su dung mot nam cham lam lech quy đao cua chum tia ion, va goc lech đo đuoc bang ti so cua khoi luong nguyen tu va đien tich cua no. Nha hoa hoc Francis William Aston đa su dung thiet bi nay đe chung to rang cac đong vi co khoi luong khac nhau. Khoi luong nguyen tu cua nhung đong vi cung mot nguyen to chi chenh nhau theo boi nguyen cua mot hang so. Đe giai thich cho su khac biet ky la ve khoi luong đong vi phai đoi đen tan khi kham pha ra neutron, hat trung hoa đien co khoi luong hoi lon hon khoi luong proton, do nha vat ly James Chadwick phat hien nam 1932 khi ban pha hat nhan nguyen tu Beryli bang cac hat alpha. Do vay cac đong vi đuoc giai thich nhu la cac nguyen to co cung so proton va khac nhau ve so neutron o hat nhan cua chung.


= Phan hach, vat ly nang luong cao va vat chat ngung tu =
Nam 1938, nha hoa hoc nguoi Đuc Otto Hahn, hoc tro cua Rutherford, đa huong chum neutron vao cac nguyen tu urani nham muc đich tao ra cac nguyen to sieu urani. Thay vao đo ong lai nhan đuoc tu ket qua thi nghiem hoa hoc la san pham bari. Mot nam sau, Lise Meitner va nguoi chau trai cua Otto Hahn la Otto Frisch xac nhan ket qua Hahn thu đuoc la thuc nghiem đau tien ve su phan hach hat nhan. Nam 1944, Otto Hahn nhan giai Nobel Hoa hoc. Mac du Hahn đa no luc keu goi Uy ban Nobel trao giai cho Meitner va Frisch nhung ong đa khong thanh cong.
Trong thap nien 1950, voi su phat trien nhanh chong cua cac may gia toc hat va may do hat đa cho phep cac nha khoa hoc nghien cuu va cham cua cac hat nhan va nguyen tu o muc nang luong cao. Ho nhan thay hat neutron va proton la nhung loai hat hadron, hay hat to hop cua nhung hat nho hon goi la quark. Ly thuyet Mo hinh chuan cua vat ly hat đuoc phat trien va đa rat thanh cong trong giai thich tinh chat cua hat nhan theo su phan loai thanh cac hat ha nguyen tu va cac tuong tac chi phoi the gioi luong tu.


Cac thanh phan = Hat ha nguyen tu =

Mac du tu nguyen tu co nguon goc chi nhung hat khong the phan chia nho hon nua, nhung nhu ngay nay đa biet nguyen tu la thuat ngu khoa hoc to hop cua nhieu hat ha nguyen tu. Cac hat thanh phan cua nguyen tu la electron, proton va neutron. Ngoai tru nguyen tu hydro-1 khong co neutron va ion hydro khong co electron (hay chinh la hat proton đon le).
Electron la hat nhe nhat trong ba hat voi khoi luong 9,109×10−31 kg, va đien tich am -e, kich thuoc cua no rat nho va hien nay chua co cong nghe nao đo đuoc đuong kinh cua no. Proton co đien tich duong +e va khoi luong gap 1.836 khoi luong electron, va bang 1,673×10−27 kg, mac du gia tri nay co the giam đi do bu tru vao nang luong lien ket cua proton trong hat nhan. Neutron la hat trung hoa đien va khoi luong khi no đung rieng le la 1.839 lan khoi luong electron, hay 1,675×10−27 kg. Cac nha vat ly đo đuoc đuong kinh cua neutron va proton—vao co 25×10−15 m—mac du 'be mat' cua nhung hat nay khong xac đinh ro rang.
Trong Mo hinh chuan, electron la hat co ban thuc su vi no khong co hat thanh phan. Tuy nhien, ca proton va neutron la nhung hat to hop cua nhung hat co ban goi la quark. Co hai loai quark trong cac proton va neutron, moi hat quark mang đien tich phan so. Proton la hat to hop cua 2 quark len (moi hat co đien tich +2⁄3e) va mot quark xuong (voi đien tich −1⁄3e). Neutron chua mot quark len va hai quark xuong. Su khac biet trong thanh phan khien cho khoi luong va đien tich cua hai hat proton va neutron co su khac nhau.
Cac quark lien ket voi nhau boi tuong tac manh (hay luc manh) thong qua trao đoi cac gluon. Đen luot cac hat proton va neutron lien ket voi nhau trong hat nhan boi luc hat nhan, ma luc nay ve ban chat la do tuong tac manh 'ro ri' ra ngoai voi pham vi ngan (xem bai ve luc hat nhan). Hat gluon la thanh vien cua ho hat boson gauge, la hat trung gian trao đoi tuong tac manh.


= Hat nhan =

Moi proton va neutron lien ket voi nhau trong hat nhan nguyen tu, va chung đuoc goi chung la cac nucleon. Ban kinh cua hat nhan co gia tri xap xi 1,07 3√A fm, voi A la tong so nucleon trong hat nhan. Gia tri nay nho hon rat nhieu ban kinh cua nguyen tu va bang khoang 105 fm. Cac nucleon lien ket voi nhau boi the nang hut con du cua tuong tac manh tam ngan. Voi khoang cach 2,5 fm luc nay manh hon luc đien tu lam cho cac proton đien tich duong đay nhau.
Cac nguyen tu cua cung mot nguyen to co cung so proton, hay con goi la so nguyen tu. Hat nhan cua mot nguyen to co so hat neutron khac nhau xac đinh len cac đong vi cua nguyen to đo. Tong so proton va neutron xac đinh len nuclit. So luong tuong đoi neutron so voi proton anh huong toi tinh on đinh cua hat nhan, va o mot so đong vi co hien tuong phan ra phong xa.
Cac hat proton va neutron đuoc phan loai thanh hat fermion. Nguyen ly loai tru Pauli, mot hieu ung co hoc luong tu, khong cho phep co hai hat fermion đong nhat o cung mot trang thai, vi du nhu khong the co nhieu hat proton co cung mot trang thai luong tu trong cung mot thoi gian. Do vay moi hat proton trong hat nhan phai co cac trang thai khac nhau, voi muc nang luong cua rieng chung, va tuong tu quy tac nay cho cac hat neutron. Tuy nhien nguyen ly nay khong ngan cam mot hat proton va mot neutron co cung trang thai luong tu.
Đoi voi cac nguyen tu co gia tri nguyen tu so thap, mot hat nhan co so proton khac so neutron co xu huong tro ve trang thai nang luong cua hat nhan thap hon thong qua qua trinh phan ra phong xa dan đen so hat proton va neutron tro len xap xi bang nhau. Ket qua la, cac nguyen tu co so proton xap xi bang so neutron co hat nhan ben va khong co hien tuong phong xa. Tuy nhien, khi nguyen tu so tang len, luc đay lan nhau giua cac proton va đoi hoi so neutron tang len đe duy tri su on đinh cua hat nhan, khong con tuan theo xu huong can bang hai hat nay nua. Va thuc te khong co hat nhan ben nao voi so proton xap xi bang so neutron khi nguyen tu so lon hon Z = 20 (calci); va khi Z tang đen nhung hat nhan nang nhat, ti so neutron tren proton đe cho hat nhan on đinh tien toi gia tri 1,5.

Cac nha khoa hoc biet hat nhan nguyen tu co the thay đoi so proton va neutron, mac du su đieu chinh nay can nang luong rat cao do anh huong cua luc hat nhan cung nhu luc đien tu. Phan ung tong hop hat nhan xay ra khi nhieu hat nhan ket hop lai thanh mot hat nhan nang hon, nhu su va cham nang luong cao giua hai hat nhan. Vi du, tai loi Mat Troi cac proton đoi hoi nang luong co 3–10 keV đe vuot qua luc đay giua chung— đe vuot qua rao Coulomb—va tong hop lai thanh hat nhan nang hon. Phan ung phan hach hat nhan la qua trinh nguoc lai, mot hat nhan bi tach ra lam hai hat nhan co khoi luong nho hon—thuong thong qua qua trinh phan ra phong xa. Hat nhan cung bi bien đoi do ket qua qua trinh ban pha boi cac hat ha nguyen tu hay chum proton nang luong cao. Neu hat nhan moi sinh ra voi so proton khac đi thi nguyen tu tro thanh mot nguyen tu cua nguyen to hoa hoc khac.
Neu khoi luong cua hat nhan san pham trong phan ung tong hop nho hon tong cong khoi luong cua cac hat nhan tham gia phan ung, thi hieu khoi luong nay co the phat ra duoi dang nang luong co ich (nhu tia gamma, hay đong nang cua cac hat san pham nhu hat beta), va tuan theo nguyen ly su tuong đuong khoi luong-nang luong voi cong thuc cua Albert Einstein ΔE = Δm.c2, voi Δm la khoi luong chenh lech va c la toc đo anh sang. Nang luong doi ra nay co nguon goc tu nang luong lien ket cua hat nhan tao thanh, va no la su mat mat nang luong khong the khoi phuc đuoc lam cho cac hat tham gia tong hop đung canh nhau trong mot trang thai đoi hoi nang luong nay phai tach ra.
Phan ung tong hop tao ra hat nhan lon hon tu cac hat nhan co nguyen tu so Z nho hon cua sat va nikel – voi tong so nucleon vao khoang 60—thuong la phan ung sinh nhiet giai phong nhieu nang luong hon so voi nang luong can thiet đe tong hop chung. Đay chinh la nhung phan ung tong hop hat nhan sinh nang luong trong cac sao va giup ngoi sao duy tri trang thai can bang ap suat va luc hut hap dan. Đoi voi cac hat nhan nang hon, nang luong lien ket tren mot nucleon trong hat nhan bat đau giam. Đieu nay lam cho phan ung tong hop sinh ra hat nhan voi nguyen tu so Z > 26 va so nucleon cao hon 60, la phan ung thu nhiet. Nhung hat nhan nang nay khong the tham gia phan ung tong hop sinh nang luong giup cho qua trinh can bang thuy tinh cua sao đuoc on đinh.


= Đam may electron =

Cac electron trong mot nguyen tu bi hut boi cac proton o hat nhan bang luc đien tu. Luc nay giam cac electron ben trong mot gieng the tinh đien bao quanh hat nhan, tuc la can phai co nguon nang luong tu ben ngoai đe cho electron thoat ra khoi hat nhan. Electron cang nam gan ve phia hat nhan, luc hut cang manh hon. Do đo electron lien ket gan tam cua gieng the đoi hoi nhieu nang luong hon đe thoat ra ngoai.
Electron, giong nhu nhung hat vi mo khac, co ca tinh chat song va hat. Đam may electron la mot vung ben trong gieng the noi moi electron tao thanh mot kieu song đung ba chieu – dang song khong di chuyen so voi hat nhan. Hanh xu nay tao nen orbital nguyen tu, mot ham toan hoc đac trung cho xac suat mot electron xuat hien tai mot điem cu the khi đo vi tri cua electron. Chi co tap roi rac bi luong tu hoa nhung orbital ton tai xung quanh hat nhan, hoac neu co nhung dang song khac thi no se nhanh chong phan huy thanh dang song đung luong tu on đinh hon. Cac orbital co the co cau truc nhieu hon mot vong hoac nut, va chung khac nhau ve kich thuoc, hinh dang va huong.

Moi orbital tuong ung voi mot muc nang luong cu the cua electron. Electron co the thay đoi trang thai cua no đen muc nang luong cao hon bang hap thu mot photon voi nang luong phu hop đe đay đien tu len trang thai nang luong moi. Tuong tu nhu vay, thong qua phat xa tu phat, mot electron o trang thai nang luong cao hon co the tro ve muc nang luong thap bang phat ra mot photon. Nhung gia tri nang luong đac trung nay, xac đinh boi hieu giua cac muc nang luong cua tung trang thai luong tu, the hien cho day vach pho đac trung cua tung nguyen tu.
Luong nang luong can đe lay đi hoac them mot electron vao – nang luong lien ket electron – nho hon nhieu so voi nang luong lien ket cac nucleon trong hat nhan. Vi du, chi can 13,6 eV đe tach electron o trang thai nang luong nen (trang thai nang luong thap nhat) ra khoi nguyen tu hydro, so voi 2,23 trieu eV đe tach mot hat nhan deuteri. Cac nguyen tu trung hoa đien neu chung co so electron bang so proton. Nguyen tu thieu hoac du thua electron goi la ion. Nhung electron nam xa hat nhan nhat co the bi bat sang nguyen tu ben canh hoac thuoc ve ca hai nguyen tu. Theo co che nay, cac nguyen tu co the lien ket voi nhau thanh cac phan tu hoac nhung hop chat hoa hoc khac nhu mang luoi tinh the ion hoac lien ket cong hoa tri.


Tinh chat = Tinh chat hat nhan =

Theo đinh nghia, bat ky hai nguyen tu voi cung so proton trong hat nhan thi thuoc ve cung mot nguyen to hoa hoc. Cac nguyen tu co cung so proton nhung khac so neutron la nhung đong vi khac nhau cua cung mot nguyen to. Vi du, moi nguyen tu hydro chi chua mot proton, nhung co đong vi khong chua neutron (hydro-1, la dang pho bien nhat, hay con goi la proti), chua mot neutron (deuteri), hai neutron (triti) va nhieu hon hai neutron. Cac nguyen to đa biet lap thanh mot tap nguyen tu so, tu nguyen to chua 1 proton hydro cho đen nguyen to chua 118 proton oganesson. Tat ca cac đong vi đa biet cua nguyen to co nguyen tu so lon hon 82 la đong vi phong xa.
Cac nha vat ly hat nhan biet khoang 339 nuclit xuat hien trong tu nhien tren Trai Đat, trong so đo 254 (khoang 75%) nuclit khong co tinh phan ra, va thuong goi la "đong vi ben". Tuy nhien, chi 90 trong so nhung nuclit nay la on đinh đoi voi moi phan ra, tham chi ngay ca tren ly thuyet. Con lai 164 (trong tong so 254) thi nguoi ta van chua quan sat thay chung phan ra, vi tren ly thuyet chung co muc nang luong hat nhan cao. Va cac nha khoa hoc thuong phan loai chung mot cach hinh thuc thuoc dang "ben". Them khoang 34 nuclit phong xa co nua thoi gian song hon 80 trieu nam, đu lau đe co mat tu luc hinh thanh He Mat Troi. Tong so 288 nuclit nay goi la cac nuclit nguyen thuy. Cuoi cung, co them khoang 51 nuclit voi nua thoi gian song ngan ma cac nha khoa hoc biet chung ton tai trong tu nhien, nhu la san pham phan ra cua cac nuclit nguyen thuy (nhu radi tu urani), hoac la nhung san pham cua cac qua trinh nang luong cao trong tu nhien tren Trai Đat, nhu do cac tia vu tru ban pha (vi du, cacbon-14).
Đoi voi 80 nguyen to hoa hoc, moi nguyen to co it nhat mot đong vi ben ton tai. Nhu mot quy tac, chi co mot so nhat đinh đong vi ben cho moi nguyen to, trung binh khoang 3,2 đong vi ben tren mot nguyen to. 26 nguyen to chi co duy nhat mot đong vi on đinh, trong khi nguyen to co nhieu đong vi ben nhat đa đuoc xac nhan đo la thiec voi 10 đong vi ben. Nguyen to 43, 61, 83 va moi nguyen to co nguyen tu so cao hon đeu khong co đong vi ben.
Tinh on đinh cua đong vi bi anh huong boi ti so cua proton tren neutron, va cung boi su co mat cua nhung "so than ky" xac đinh cua neutron hay proton ma xuat hien lam đay hoac gan voi lop vo luong tu trong mo hinh cau truc hat nhan. Nhung vo luong tu nay tuong ung voi tap muc nang luong trong mo hinh vo hat nhan; nhung vo đuoc lap đay, nhu vo luong tu cua thiec chua đay 50 proton, lai đuoc coi la co tinh on đinh ky la đoi voi nuclit (hay so than ky la 50). Trong 254 nuclit ben đa biet, chi co bon nuclit ben chua đong thoi so le proton va so le neutron: hydro-2 (deuteri), lithi-6, boron-10 va nito-14. Cung vay, chi co bon nuclit xuat hien trong tu nhien voi đong thoi so le proton va neutron co nua thoi gian song tren mot ty nam: kali-40, vanadium-50, lanthanum-138 va tantalum-180m. Đa so cac hat nhan co đong thoi so le proton va neutron đeu mat on đinh va nhanh chong phan ra beta, boi vi san pham phan ra chua so chan đong thoi proton va neutron, va do vay lien ket chat voi nhau hon, do hieu ung bat cap hat nhan (theo nguyen ly loai tru Pauli, mot proton co spin len se co xu huong bat cap voi mot proton co spin xuong, va tuong tu cho neutron, đieu nay dan đen xu huong co đong thoi so chan ca proton va neutron trong hat nhan).


= Khoi luong =

Phan lon khoi luong cua nguyen tu la do đong gop cua proton va neutron trong hat nhan cua no. Tong nhung hat nay (goi la "nucleon") trong mot nguyen tu goi la so khoi. So khoi đon gian chi la mot so tu nhien, co đon vi la "nucleon." Vi du su dung so khoi la "cacbon-12," co 12 nucleon (6 proton va 6 neutron).
Khoi luong thuc cua nguyen tu khi no đung yen (khoi luong bat bien, khoi luong nghi) thuong đuoc bieu dien bang đon vi khoi luong nguyen tu (u), hay đoi khi goi la mot dalton (Da). Đon vi nay đuoc xac đinh bang mot phan muoi hai khoi luong nghi cua nguyen tu tu do trung hoa đien cacbon-12, voi khoi luong xap xi 166×10−27 kg. hydro-1, đong vi nhe nhat cua hydro va la nguyen tu nhe nhat, co khoi luong nghi bang 1,007825 u. Gia tri cua so nay goi la nguyen tu luong. Mot nguyen tu co nguyen tu luong xap xi bang (sai so 1%) so khoi cua no nhan voi đon vi khoi luong nguyen tu. Tuy nhien, gia tri nay se khong bang chinh xac so khoi tru truong hop cua cacbon-12 (xem ben duoi) Nguyen tu ben nang nhat la chi-208, co khoi luong la 2079766521 u.
Ngay ca đoi voi cac nguyen tu nang nhat cung qua nhe đe co the nghien cuu truc tiep va đon vi khoi luong kha ruom ra, thay vao đo cac nha hoa hoc su dung đon vi Mol. Mot mol nguyen tu cua bat ky mot nguyen to hoa hoc luon co cung so luong nguyen tu (bang khoang 6022×1023). So nay đuoc chon sao cho neu mot nguyen to co nguyen tu luong la 1 u, thi 1 mol nguyen tu nguyen to nay co khoi luong xap xi 1 gram. Do đinh nghia cua đon vi khoi luong nguyen tu, moi nguyen tu cacbon-12 co nguyen tu khoi chinh xac bang 12 u, do vay 1 mol nguyen tu cacbon-12 co khoi luong chinh xac bang 0,012 kg.


= Hinh dang va kich thuoc =

Nguyen tu khong co be mat đinh ro, do vay kich thuoc cua no thuong đuoc xac đinh hinh thuc bang thuat ngu ban kinh nguyen tu. Đai luong nay đo khoang cach mo rong đam may electron tinh tu hat nhan. Tuy nhien, cach gia su nay khong chi đung cho nguyen tu co dang hinh cau, ma con đung cho nguyen tu co lap trong chan khong. Ban kinh nguyen tu co the suy ra tu khoang cach giua hai hat nhan khi hai nguyen tu ket hop lai theo lien ket hoa hoc. Ban kinh thay đoi phu thuoc vi tri cua nguyen tu tren bang tuan hoan, loai lien ket hoa hoc, so nguyen tu hay ion lan can voi no (so toa đo) va tinh chat co hoc luong tu cua no spin. Tren bang tuan hoan nguyen to hoa hoc, theo tinh toan ly thuyet, kich thuoc nguyen tu co xu huong tang len khi đi theo cot tu tren xuong, nhung giam khi đi theo hang tu trai sang phai va du lieu thuc nghiem đo đuoc kha phu hop voi xu huong nay. He qua la nguyen tu co ban kinh nho nhat la 32 pm, trong khi nguyen tu lon nhat la caesi voi ban kinh 225 pm.
Khi chiu tac đong cua truong ngoai, nhu đien truong va tu truong, hinh dang cua nguyen tu co the bi be lech khoi hinh cau. Su lech nay phu thuoc vao cuong đo cua truong va kieu orbital cua lop vo electron ngoai cung, nhu đuoc chi ra boi ly thuyet nhom. Hinh cau bien dang co the xuat hien trong cau truc tinh the o đay khi chiu đien truong mau tinh the co xuat hien nhung đoi xung bac thap trong dan tinh the. Gan đay cac nha tinh the hoc chi ra su bien dang lon thanh ellipsoid xuat hien o ion luu huynh trong tinh the pyrit.

Nguyen tu co kich thuoc nho hon hang nghin lan buoc song anh sang kha kien (400–700 nm) do vay chung ta khong the quan sat nguyen tu bang kinh hien vi quang hoc. Tuy nhien, co the quan sat tung nguyen tu bang thiet bi kinh hien vi quet xuyen ham. Đe hinh dung kich thuoc rat nho cua nguyen tu, đuong kinh cua toc nguoi binh thuong bang khoang 1 trieu lan đuong kinh nguyen tu cacbon. Mot giot nuoc chua khoang (2×1021) nguyen tu oxy, va gap hai lan so nguyen tu hydro. Mot cara kim cuong voi khoi luong 2×10−4 kg chua khoang (1022) nguyen tu cacbon. Neu mot qua tao phong to bang đuong kinh Trai Đat, thi mot nguyen tu trong qua tao co đuong kinh xap xi kich co qua tao ban đau.


= Phan ra phong xa =

Moi nguyen to co mot hay nhieu đong vi ma hat nhan khong ben se tien toi phan ra phong xa, va hat nhan phat ra hat nhan khac hoac buc xa đien tu. Hien tuong phong xa xay ra khi ban kinh cua hat nhan đu lon so voi ban kinh anh huong cua tuong tac manh, voi pham vi tac đong khoang 1 fm.
Nhung phan ung phan ra phong xa hay gap nhat la:

Phan ra alpha la phan ung trong đo hat nhan phat ra hat alpha, hat nhan cua heli chua hai proton va hai neutron. Hat san pham la nhung nguyen to moi voi so nguyen tu thap hon.
Phan ra beta (va bat giu electron) bi kiem soat boi tuong tac yeu, va ket qua la mot neutron bien đoi thanh mot proton, hoac mot proton thanh mot neutron. Kieu đau tien đi kem voi su phat ra mot electron va mot phan neutrino electron, trong khi kieu thu hai phat ra mot positron va mot neutrino electron. Hat electron hoac positron phat ra vi ly do lich su ma cac nha vat ly goi la nhung hat beta. Phan ra beta lam tang hoac giam so nguyen tu cua hat nhan 1 đon vi. Mot phan ung tuong tu voi phan ra beta cua hat positron trong hat nhan giau proton đo la phan ung bat electron cua hat nhan, qua trinh nay tham chi con pho bien hon phan ung phat ra positron do no đoi hoi it nang luong hon. Trong phan ung nay electron bi hap thu boi hat nhan hon la phat positron. Mot hat neutrino van phat ra trong phan ung va mot proton bien thanh mot neutron.
Phong xa tia gamma lam thay đoi muc nang luong cua hat nhan ve trang thai nang luong thap hon, ket qua la phat ra photon gamma. Phan ung nay co the xuat hien sau phan ra alpha hoac beta tu phan ra phong xa.
Mot loai phan ra hiem nua la san pham phan ra bao gom nhung neutron hoac proton hoac đam nucleon tu mot hat nhan, hoac co nhieu hon mot hat beta bi ban ra, hoac san pham (thong qua bien đoi noi bo hat nhan goc) la nhung electron nang luong cao ma khong phai la chum tia beta, hay nhung photon nang luong cao khong phai la tia gamma. Mot vai hat nhan no thanh hai hoac nhieu hat nhan khong co đinh đi kem voi mot so neutron, trong phan ra tu phat cua phan ung phan hach hat nhan.
Moi đong vi phong xa co chu ky phan ra đac trung — hay nua thoi gian song — xac đinh boi luong thoi gian can thiet cho mot nua mau hat phan ra. Đay la tien trinh phan ra ham mu va giam dan luong đong vi con lai mot nua sau moi chu ky phan ra. Do đo sau chu ky phan ra thu hai so hat đong vi con lai chi la 25% so voi ban đau, va cu nhu the.


= Momen tu =

Cac hat co ban co mot tinh chat co hoc luong tu noi tai goi la spin. Tinh chat nay tuong tu nhu đong luong goc cua mot vat quay quanh khoi tam cua no, mac du noi mot cach so luoc nhung hat co ban đuoc cho la nhung hat điem va khong the hien tinh tu quay quanh truc nao ca. Spin luong tu hay momen tu noi tai co đon vi đo bang hang so Planck thu gon (ħ), voi electron, proton va neutron chung chi co hai gia tri spin ½ ħ, hoac "spin -½". Trong nguyen tu, cac electron bao quanh hat nhan co momen đong luong orbital cung voi đac tinh spin, trong khi hat nhan co momen đong luong chinh no do spin cua hat nhan.
Tu truong sinh ra boi nguyen tu—momen tu— đuoc xac đinh boi nhieu gia tri mo men đong luong, giong nhu mot vat tich đien chuyen đong trong đien tu hoc co đien sinh ra tu truong. Tuy nhien, đong gop chu yeu đen tu spin. Do ban chat cac electron tuan theo nguyen ly loai tru Pauli, hai electron khong the co cung mot trang thai luong tu trong mot vung o cung thoi gian (khong co cung 4 so luong tu) va quy tac Hund ve quy trinh phan bo electron trong orbital. Cac electron lien ket tao cap voi nhau trong orbital, voi mot electron co trang thai spin len va electron kia co trang thai spin xuong. Do vay trong mot cap, spin luong tu bi triet tieu, dan đen tong momen luong cuc tu bang 0 trong mot so nguyen tu co so chan electron voi moi orbital đa lap đay boi nhung cap electron.
Trong cac nguyen to sat tu nhu sat, niken, chung co mot so electron chua bat cap trong orbital va vi vay co momen tu nguyen tu. orbital cua cac nguyen tu lan can phu len nhau va xuat hien mot trang thai nang luong thap hon khi spin cua cac electron chua bat cap đong loat huong theo nhau, mot qua trinh goi la tuong tac trao đoi. Khi momen tu cua cac nguyen tu sat tu sap hang, vat lieu se sinh ra mot tu truong vi mo đo đuoc. Nguyen tu cua vat lieu thuan tu co momen tu sap xep ngau nhien khong theo mot huong, nhung khi co tu truong ngoai thi cac momen tu huong ung theo huong cua tu truong ngoai va co mot tu truong vi mo nho o vat lieu thuan tu.
Hat nhan nguyen tu cung co spin. Thong thuong cac hat nhan co spin đinh huong theo nhung huong ngau nhien trong can bang nhiet đong. Tuy nhien, đoi voi mot so nguyen to (nhu xenon-129) hat nhan cua no co the bi phan cuc spin theo so luong lon cua trang thai spin hat nhan do vay chung co the sap hang theo mot huong— hay hien tuong sieu phan cuc. Spin hat nhan co mot ung dung quan trong trong y hoc đo la chup anh cong huong tu hat nhan.


= Muc nang luong =

Cac nha vat ly quy uoc the nang cua mot electron trong nguyen tu co gia tri am, va phu thuoc vao vi tri cua no trong nguyen tu. No co gia tri cuc tieu khi nam o gan hat nhan nhat va quy uoc bang 0 khi no nam xa vo cung so voi hat nhan, hay the nang cua no ti le nghich voi khoang cach. Trong mo hinh co hoc luong tu, mot electron lien ket chi co the chiem nhung trang thai luong tu xung quanh hat nhan, va moi trang thai tuong ung voi mot muc nang luong xac đinh; xem phuong trinh Schrodinger đoc lap thoi gian ve cach giai thich ly thuyet. Muc nang luong co the đo bang luong nang luong can thiet đe but electron tai trang thai đo ra xa vo cung, va co đon vi electronvolt (eV). Trang thai nang luong thap nhat cua electron lien ket goi la trang thai nang luong nen va khi mot electron chuyen dich sang muc nang luong cao hon thi no o vao trang thai kich thich. Nang luong cua electron tang len khi so luong tu chinh n tang boi vi khoang cach trung binh đen hat nhan tang. Su phu thuoc nang luong vao so luong tu xung luong ℓ khong phai la do the nang tinh đien voi hat nhan ma la boi tuong tac giua cac electron.
Khi mot electron chuyen dich giua hai trang thai nang luong, no phai hap thu hoac phat ra mot photon co nang luong bang hieu giua hai trang thai nang luong nay. Nang luong cua mot photon ty le voi tan so cua no, do đo nhung muc nang luong xac đinh nay hien len thanh nhung dai phan biet trong pho đien tu. Moi nguyen to co mot pho đac trung phu thuoc vao đien tich hat nhan, cau hinh electron, tuong tac đien tu giua cac electron va boi nhung nhan to khac.

Khi anh sang voi pho nang luong lien tuc truyen qua chat khi hay plasma, mot so nguyen tu hap thu photon, khien cho cac electron thay đoi muc nang luong cua no. Nhung electron kich thich nay van lien ket voi nguyen tu cua no va tu phat phong thich nang luong qua phat ra photon theo huong ngau nhien, va tro lai trang thai nang luong thap hon. Do vay nguyen tu the hien nhu mot may loc tao ra mot day cac vach toi trong pho nang luong phat ra. (Mot nguoi quan sat nguyen tu khi chum sang chieu qua chung se thay khi loc bo pho lien tuc thu đuoc day pho phat xa đac trung cua nguyen tu.) Đo luong pho ve cuong đo va đo rong cua cac vach pho nguyen tu cho phep cac nha khoa hoc xac đinh đuoc thanh phan va tinh chat vat ly cua chat can nghien cuu.
Khi nghien cuu ki hon pho nguyen tu cac nha vat ly nhan thay co su tach vach trong cau truc te vi. Su xuat hien nay la do hieu ung spin-quy đao tuong đoi tinh, khi tinh đen anh huong giua chuyen đong cua electron lop ngoai cung voi spin cua no. Khi nguyen tu đat trong tu truong ngoai, cac vach pho cua no bi tach thanh ba hoac nhieu vach; hay hieu ung Zeeman. Hieu ung nay la do tuong tac cua tu truong ngoai voi momen tu cua nguyen tu va cua electron. Mot so nguyen tu co nhieu cau hinh electron voi cung mot muc nang luong, do đo vach pho thu đuoc la giong nhau cho nhung cau hinh nay. Khi nguyen tu tuong tac voi tu truong lam dich chuyen nhung cau hinh electron đen mot muc nang luong hoi khac, lam cho xuat hien nhieu vach pho tren quang pho thu đuoc. Su co mat cua mot đien truong ngoai cung lam tach va dich chuyen vach pho va thay đoi đang ke muc nang luong cua electron, hay hieu ung Stark.

Neu electron lien ket trong trang thai kich thich, mot photon tuong tac voi nang luong rieng co the gay ra hieu ung phat xa kich thich cho mot photon voi nang luong phu hop voi muc kich thich. Đe đieu nay xay ra, electron phai tro ve trang thai nang luong thap hon ma co hieu nang luong giua hai trang thai chuyen dich bang voi nang luong cua photon tuong tac. Photon phat ra va photon tuong tac di chuyen song song va co cung pha voi nhau, phan xa qua lai giua hai guong. Khi đo, phan song cua hai photon đuoc đong bo hoa. Tinh chat vat ly nay đuoc ung dung đe che tao cac loai laser, mot chum song đien tu ket hop voi tan so đong bo.


= Hoa tri va lien ket hoa hoc =

Lop vo electron ngoai cung cua nguyen tu co lap trong trang thai chua ket hop goi la vo hoa tri, va cac electron trong lop vo nay goi la electron hoa tri. So cac electron hoa tri xac đinh len tinh chat lien ket hoa hoc giua cac nguyen tu voi nhau. Nguyen tu co xu huong phan ung voi nhau theo cach lap đay (hoac lam trong) cac vo hoa tri ngoai cung cua chung. Vi du, su truyen đoi mot electron giua cac nguyen tu la mot cach xap xi tot cho lien ket hinh thanh giua mot nguyen tu can them mot electron la đay lop vo hoa tri voi mot nguyen tu khi bot mot electron no se đay lop vo, cach lien ket nay xuat hien trong hop chat natri chloride va nhung muoi ion khac. Tuy nhien, nhieu nguyen to co nhieu so hoa tri, va co xu huong chia se nhieu electron khac nhau trong nhung hop chat khac nhau. Nhu the, cac lien ket hoa hoc giua nhung nguyen to hinh thanh theo kieu chia se nhieu electron hon la chi truyen đoi mot electron. Vi du nay bao gom nguyen to cacbon va cac hop chat huu co.
Tinh chat hoa hoc cua cac nguyen to the hien tinh tuan hoan khi sap xep tren bang tuan hoan, va cac nguyen to voi cung so electron hoa tri tao thanh mot nhom trong cung mot cot cua bang. (Hang ngang tuong ung voi su lap đay lop vo electron.) Cac nguyen to o phia ngoai cung ben phai cua bang co lop vo hoa tri đa đuoc lap đay electron, khien cho nhung nguyen to nay rat thu đong trong cac phan ung hoa hoc, hay con goi la khi hiem.


= Trang thai =

Cac nguyen tu tham gia cau thanh len nhung trang thai vat chat khac nhau phu thuoc vao nhung đieu kien vat ly, nhu mat đo, nhiet đo va ap suat. Khi nhung đieu kien nay thay đoi đen đieu kien gioi han, xay ra su chuyen pha vat chat giua cac pha ran, long, khi va plasma.
 Trong mot trang thai, vat lieu cung the hien nhung dang thu hinh khac nhau. Vi du nhu đoi voi cacbon ran, no co the hien nhu graphen, graphit hay kim cuong. Dang thu hinh trong chat khi cung ton tai, nhu dioxy va ozone.


Quan sat va tham do Cac nha khoa hoc su dung kinh hien vi quet chui ham la thiet bi quan sat be mat vat lieu o cap nguyen tu. Nguyen ly hoat đong cua no dua tren hieu ung đuong ham luong tu, hieu ung cho phep cac hat đi qua rao can la gieng the ma ve mat truc giac vi mo la khong the. Cac electron chui ham qua chan khong giua hai đien cuc kim loai đong phang, tren moi phia co mot nguyen tu hap thu electron, dan đen xuat hien mat đo dong đien ma co the đo đuoc. Khi đau do đuoc quet tren be mat mau, se xuat hien cac đien tu di chuyen tu be mat mau sang mui do do hieu ung chui ham luong tu va viec ghi lai dong chui ham (do mot hieu đien the đat giua mui do va mau) nay se cho cac thong tin ve cau truc be mat.
Khi nguyen tu bi mat mot vai electron no tro thanh ion. Khi la hat đien tich quy đao cua no bi lech đi trong tu truong. Đo đuoc ban kinh đo lech quy đao cua ion cho phep chung ta xac đinh đuoc khoi luong cua nguyen tu. Thiet bi pho khoi ke dua tren nguyen ly nay đe đo ti so khoi luong tren đien tich cua cac ion. Neu mot chua nhieu ion, pho khoi co the xac đinh đuoc ti le cua moi đong vi trong mau bang cach đo cuong đo cua nhieu chum ion khac nhau. Ky thuat lam bay hoi nguyen tu bao gom "pho ke phat xa cap nguyen tu plasma cam ung" va "pho ke khoi luong cap plasma cam ung", ca hai ky thuat su dung plasma lam bay hoi mau đe phan tich.
Mot phuong phap hay dung nua la pho ton hao nang luong đien tu, dua tren viec ghi va phan tich phan nang luong bi mat mat cua chum electron trong kinh hien vi đien tu truyen qua do tan xa khong đan hoi khi truyen qua mau vat ran. Phuong phap tham do nguyen tu (atom probe) co đo phan giai duoi nanomet va thu đuoc anh 3-D cung nhu xac đinh đuoc đac tinh hoa hoc cua tung nguyen tu thong qua pho khoi thoi gian truyen.
Pho cua trang thai nguyen tu kich thich đuoc dung đe phan tich thanh phan nguyen tu trong cac sao o xa. Cac nha thien van co the tach nhung buoc song đien tu đac trung trong anh sang phat ra tu ngoi sao va lien he no voi su dich chuyen luong tu trong nguyen tu khi tu do. Nhung mau nay (buoc song) co the đuoc sao chep bang cach su dung đen phong đien qua khi (gas-discharge lamp) chua cung nguyen to tren ngoi sao. Đac biet nguyen tu Heli đa đuoc phat hien theo cach nay khi nghien cuu pho Mat Troi som 23 nam truoc khi no đuoc phat hien co ton tai tren Trai Đat.


Nguon goc va trang thai hien tai Nguyen tu chiem khoang 4,9% tong mat đo nang luong trong Vu tru quan sat đuoc (con lai la vat chat toi va nang luong toi), voi mat đo trung binh khoang 0,25 nguyen tu/m³. Trong mot thien ha nhu Ngan Ha, nguyen tu co đo tap trung cao hon, voi mat đo vat chat ben trong moi truong lien sao (ISM) tu 105 đen 109 nguyen tu/m³. Mat Troi nam trong Bong bong đia phuong, mot vung tap trung khi ion hoa cao, do vay mat đo o moi truong lan can he Mat Troi trung binh vao khoang 103 nguyen tu/m³. Cac ngoi sao hinh thanh tu nhung đam may đam đac trong ISM, va qua trinh tien hoa cua sao dan dan lam giau moi truong trong ISM voi cac nguyen to nang hon hydro va heli. Co toi 95% nguyen tu trong Ngan Ha tap trung ben trong cac ngoi sao va tong khoi luong nguyen tu chiem khoang 10% khoi luong toan thien ha. (phan khoi luong con lai đa so la vat chat toi.)


= Su hinh thanh =
Electron ton tai trong Vu tru tu giai đoan so khai sau Vu no lon. Hat nhan nguyen tu hinh thanh trong cac phan ung tong hop hat nhan. Qua trinh tong hop hat nhan sau Vu no lon tao ra phan lon heli, lithi, va deuteri trong Vu tru, va co le la beryli va bo.
Su ton tai khap noi va tinh on đinh cua nguyen tu dua tren nang luong lien ket cua no, co nghia la nguyen tu co nang luong thap hon so voi mot he khong lien ket gom hat nhan va cac electron. Khi nhiet đo cao hon nang luong ion hoa nguyen tu, vat chat ton tai o trang thai plasma – chat khi chua ion đien tich duong (hoac tham chi ca hat nhan tran trui) va electron. Khi nhiet đo giam xuong duoi muc nang luong ion hoa, cac nguyen tu bat đau hinh thanh theo cac đinh luat cua vat ly thong ke. Nguyen tu (khi đa bat cac electron) tro len vuot troi so voi cac hat tich đien sau 380.000 nam tu Big Bang— mot ky nguyen goi la "tai ket hop", khi Vu tru gian no ra va lanh đi cho phep cac electron gan ket đuoc voi hat nhan.
Do Vu no lon khong sinh ra cacbon hoac nguyen tu nang hon, hat nhan nguyen tu đuoc san sinh trong long cac ngoi sao thong qua phan ung tong hop hat nhan đe tao ra nhieu nguyen to heli hon, va (thong qua qua trinh bo ba heli) san sinh ra cac nguyen to cacbon cho toi sat; xem them tong hop hat nhan sao.
Nhung loai đong vi nhu lithi-6, cung nhu mot so đong vi berylilli va bo san sinh trong khong gian thong qua phan ung ban pha cua tia vu tru. Khi chum tia proton nang luong cao va đap vao hat nhan nguyen tu trong khi quyen Trai Đat, khien cho mot luong lon so hat nhan nhe sinh ra.
Nhung nguyen to nang hon sat hinh thanh trong vu no sieu tan tinh thong qua qua trinh-r (r-process) va trong cac sao nhanh tiem can khong lo (AGB stars) thong qua qua trinh-s (s-process), ca hai qua trinh co su bat neutron cua hat nhan nguyen tu.


= Trai Đat =

Hau het cac nguyen tu cau tao nen Trai Đat va nhung thu ton tai tren no đa co mat trong nhung tinh van suy sup hap dan tu đam may phan tu đe hinh thanh len He Mat Troi. Mot so hat nhan con lai la san pham cua qua trinh phan ra, va khi đo đuoc ty le co mat cua chung cac nha khoa hoc co the xac đinh đuoc tuoi cua Trai Đat thong qua đinh tuoi bang đong vi phong xa. Hau het heli trong lop vo Trai Đat (khoang 99% khi heli xuat hien trong cac gieng khai thac khi đot, va mot luong nho heli-3) la san pham cua phan ung phan ra alpha.
Mot vai dau vet cua mot so đong vi nguyen tu tren Trai Đat khong co mat luc hinh thanh he Mat Troi (hay khong phai la "nguyen thuy"), hay la san pham cua qua trinh phan ra. Cacbon-14 lien tuc đuoc sinh ra tu tia vu tru trong khi quyen. Mot so nguyen tu tren Trai Đat sinh ra tu cac may gia toc hay trong lo phan ung hat nhan hoac cac vu thu nghiem vu khi nguyen tu. Trong cac nguyen to sieu urani—voi so nguyen tu lon hon 92—chi co plutoni va neptuni xuat hien trong tu nhien tren Trai Đat. Cac nguyen to sieu urani co chu ky phan ra phong xa ngan hon tuoi cua Trai Đat  va do vay neu chung hinh thanh nguyen thuy thi cung đa bi phan ra tu lau, ngoai tru co mot it plutoni-244 xuat hien trong bui vu tru. Nguyen to plutoni va neptuni co trong tu nhien chu yeu la san pham cua urani bat neutron va thuong thay o cac quang urani.
Trai Đat chua xap xi 133×1050 nguyen tu. Mac du co dang nguyen tu ton tai đoc lap nhu cac khi hiem ton tai it, nhu argon, neon, va heli, 99% khi quyen chua chu yeu cac nguyen tu dang ket hop nhu phan tu, bao gom cacbon dioxide CO2 va phan tu hai nguyen tu nhu oxy O2 va nito N2. Tai be mat Trai Đat, luong khong lo cac nguyen tu ket hop theo nhieu dang, bao gom nuoc H2O, muoi, silicat va cac oxide. Nguyen tu cung ket hop lai thanh vat lieu khong chua phan tu roi rac, bao gom tinh the va chat long hoac kim loai ran. Dang vat chat nguyen tu nay tao nen mang luoi đuoc sap xep thieu đi kieu trat tu gian đoan loai đac biet quy mo nho thuong gap o dang vat chat phan tu.


= Cac dang hiem va tren ly thuyet =


 Nguyen to sieu nang  Cac đong vi voi so nguyen tu lon hon cua chi (82) co tinh phong xa, cac nha vat ly đa đe xuat ve su ton tai cua "đao ben" cho nhung nguyen to co so nguyen tu lon hon 103. Nhung nguyen to sieu nang nay co hat nhan tuong đoi on đinh trong qua trinh phan ra. Ung cu vien cho nguyen tu sieu nang on đinh đo la unbihexium, co 126 proton va 184 neutron.


 Vat chat ngoai lai  Moi hat vat chat đeu co dang tuong ung tren ly thuyet đo la hat phan vat chat voi đien tich trai dau. Hay hat positron đien tich duong la phan hat cua electron va phan proton đien tich am la phan hat cua proton. Khi vat chat va phan vat chat tuong ung gap nhau chung lap tuc bi huy thanh cac tia gamma. Boi vi ly do nay, cung voi su mat can bang giua luong vat chat va phan vat chat trong vu tru, phan vat chat rat hiem thay trong vu tru. (Mac du nguyen nhan cua su mat can bang tren quy mo Vu tru chua đuoc hieu đay đu, mot so ly thuyet đa đe xuat ra ve su vi pham đoi xung CPT trong thoi điem cua Vu no lon.) Va hien nay chua co nguyen tu phan vat chat nao tim thay ton tai trong tu nhien. Trong phong thi nghiem, nam 1996, trung tam nghien cuu hat ha nguyen tu CERN o Geneve đa lan đau tien tao ra đuoc phan hydro.
Cac nha vat ly cung tao ra đuoc nhung nguyen tu ngoai lai khac bang cach thay hat proton, neutron hay electron bang hat khac co cung đien tich. Vi du, trong nguyen tu hydro hat electron đuoc thay the bang lepton nang hon la muon, tao ra nguyen tu muonic. Nguyen tu la la mot trong nhung mau đe cac nha vat ly kiem chung cac tien đoan co ban cua vat ly.


Xem them Chu thich Tham khao = Sach tham khao =


Lien ket ngoai Atom tai Encyclopædia Britannica (tieng Anh)
Nguyen tu tai Tu đien bach khoa Viet Nam
Cau truc cua nguyen tu ban luu Quantum Mechanics 22/4/2004
Francis, Eden (2002). "Atomic Size". Clackamas Community College. Ban goc luu tru ngay 4 thang 2 nam 2007. Truy cap ngay 9 thang 1 nam 2007.
Freudenrich, Craig C. "How Atoms Work". How Stuff Works. Truy cap ngay 9 thang 1 nam 2007.
"Atom:The Atom". Free High School Science Texts: Physics. Wikibooks. Ban goc luu tru ngay 13 thang 6 nam 2006. Truy cap ngay 9 thang 1 nam 2007.
Anonymous (2007). "The atom". Science aid+. Ban goc luu tru ngay 22 thang 7 nam 2011. Truy cap ngay 9 thang 1 nam 2007.—a guide to the atom for teens.
Anonymous (ngay 3 thang 1 nam 2006). "Atoms and Atomic Structure". BBC. Truy cap ngay 11 thang 1 nam 2007.
Various (ngay 3 thang 1 nam 2006). "Physics 2000, Table of Contents". University of Colorado. Ban goc luu tru ngay 14 thang 1 nam 2008. Truy cap ngay 11 thang 1 nam 2008.
Various (ngay 3 thang 2 nam 2006). "What does an atom look like?". University of Karlsruhe. Ban goc luu tru ngay 17 thang 4 nam 2010. Truy cap ngay 12 thang 5 nam 2008.