Atom
Unsur-unsur kimia sering ditampilkan dalam tabel periodik yang menampilkan sifat-sifat kimia suatu unsur yang berpola. Unsur-unsur dengan jumlah elektron valensi yang sama dikelompokkan secara vertikel (disebut golongan). Unsur-unsur pada bagian terkanan tabel memiliki kelopak terluarnya terisi penuh, menyebabkan unsur-unsur tersebut cenderung bersifat inert (gas mulia).
Sejumlah atom ditemukan dalam keadaan materi yang berbeda-beda tergantung pada kondisi fisik benda, yakni suhu dan tekanan. Dengan mengubah kondisi tersebut, materi dapat berubah-ubah menjadi bentuk padat, cair, gas, dan plasma. Dalam tiap-tiap keadaan tersebut pula materi dapat memiliki berbagai fase. Sebagai contohnya pada karbon padat, ia dapat berupa grafit maupun intan.
Pada suhu mendekati nol mutlak, atom dapat membentuk kondensat Bose-Einstein, dimana efek-efek mekanika kuantum yang biasanya hanya terpantau pada skala atom terpantau secara makroskopis. Kumpulan atom-atom yang di lewat-dinginkan ini berperilaku seperti satu atom super.
Citra mikroskop penerowongan payaran yang menunjukkan atom-atom individu pada permukaan emas (100). Mikroskop penerowongan payaran (scanning tunneling microscope) adalah suatu mikroskop yang digunakan untuk melihat permukaan suatu benda pada tingkat atom. Alat ini menggunakan fenomena penerowongan kuantum yang mengizinkan partikel-partikel menembus sawar yang biasanya tidak dapat dilewati.
Sebuah atom dapat diionisasi dengan melepaskan satu elektronnya. Muatan yang ada menyebabkan trayektori atom melengkung ketika ia melalui sebuah medan magnet. Jari-jari trayektori ion tersebut ditentukan oleh massa atom. Spektrometer massa menggunakan prinsip ini untuk menghitung rasio massa terhadap muatan ion. Apabila sampel tersebut mengandung sejumlah isotop, spektrometer massa dapat menentukan
proporsi tiap-tiap isotop dengan mengukur intensitas berkas ion yang berbeda. Teknik untuk menguapkan atom meliputi plasma gandeng induktif-spektroskopi emisi atom (inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy, ICP-AES) dan plasma gandeng induktif-spektrometri massa (inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS), keduanya menggunakan plasma untuk menguapkan sampel analisis.
Metode lainnya yang lebih selektif adalah spektroskopi pelepasan energi elektron (electron energy loss spectroscopy), yang mengukur pelepasan energi berkas elektron dalam suatu mikroskop elektron transmisi ketika ia berinteraksi dengan sampel. Tomografi kuar atom memiliki resolusi sub-nanometer dalam 3-D dan dapat secara kimiawi mengidentifikasi atom-atom individu menggunakan spektrometri massa waktu lintas.
Spektrum keadaan tereksitasi dapat digunakan untuk menganalisis komposisi atom bintang yang jauh. Panjang gelombang cahaya tertentu yang dipancarkan oleh bintang dapat dipisahkan dan dicocokkan dengan transisi terkuantisasi atom gas bebas. Warna bintang kemudian dapat direplikasi menggunakan lampu lucutan gas yang mengandung unsur yang sama. Helium pada Matahari ditemukan dengan menggunakan cara ini 23 tahun sebelum ia ditemukan di Bumi.
Atom menduduki sekitar 4% densitas energi total yang ada dalam alam semesta terpantau, dengan densitas rata-rata sekitar 0.25atom/m3. Dalam galaksi Bima Sakti, atom memiliki konsentrasi yang lebih tinggi, dengan densitas materi dalam medium antarbintang berkisar antara 105 sampai dengan 109 atom/m3. Matahari sendiri dipercayai berada dalam Gelembung Lokal, yaitu suatu daerah yang mengandung
banyak gas ion, sehingga densitas di sekelilingnya adalah sekitar 103 atom/m3. Bintang membentuk awan-awan padat dalam medium antarbintang, dan proses evolusioner bintang akan menyebabkan peningkatan kandungan unsur yang lebih berat daripada hidrogen dan helium dalam medium antarbintang. Sampai dengan 95% atom Bima Sakti terkonsentrasi dalam bintang-bintang, dan massa total atom ini membentuk sekitar 10% massa galaksi. Massa sisanya adalah materi gelap yang tidak diketahui dengan jelas.
Proton dan elektron yang stabil muncul satu detik setelah kejadian Dentuman Besar. Dalam masa waktu tiga menit sesudahnya, nukleosintesis Dentuman Besar kebanyakan menghasilkan helium, litium, dan deuterium, dan mungkin juga beberapa berilium dan boron. Atom pertama (dengan elektron yang terikat dengannya) secara teoretis tercipta 380000 tahun sesudah Dentuman Besar, yaitu ketika
alam semesta yang mengembang cukup dingin untuk mengizinkan elektron-elektron terikat pada inti atom. Sejak saat itulah, inti atom mulai bergabung dalam bintang-bintang melalui proses fusi nuklir dan menghasilkan unsur-unsur yang lebih berat sampai dengan besi.
Isotop seperti litium-6 dihasilkan di ruang angkasa melalui spalasi sinar kosmis. Hal ini terjadi ketika sebuah proton berenergi tinggi menumbuk inti atom, menyebabkan sejumlah besar nukleon berhamburan. Unsur yang lebih berat daripada besi dihasilkan di supernova melalui proses r dan di bintang-bintang AGB melalui proses s. Kedua-duanya melibatkan penangkapan neutron oleh inti atom. Unsur-unsur seperti timbal kebanyakan dibentuk melalui peluruhan radioaktif unsur-unsur lain yang lebih berat.
Kebanyakan atom yang menyusun Bumi dan termasuk pula seluruh makhluk hidupnya pernah berada dalam bentuk yang sekarang di nebula yang runtuh dari awan molekul dan membentuk Tata Surya. Sisanya merupakan akibat dari peluruhan radioaktif dan proporsinya dapat digunakan untuk menentukan usia Bumi melalui penanggalan radiometrik. Kebanyakan helium dalam kerak Bumi merupakan produk peluruhan alfa.
Terdapat sekelumit atom di Bumi yang pada awal pembentukannya tidak ada dan juga bukan merupakan akibat dari peluruhan radioaktif. Karbon-14 secara berkesinambungan dihasilkan oleh sinar kosmik di atmosfer. Beberapa atom di Bumi secara buatan dihasilkan oleh reaktor ataupun senjata nuklir. Dari semua Unsur-unsur transuranium yang bernomor atom lebih besar daripada 92, hanya plutonium dan
neptunium sajalah yang terdapat di Bumi secara alami. Unsur-unsur transuranium memiliki waktu paruh radioaktif yang lebih pendek daripada umur Bumi, sehingga unsur-unsur ini telah lama meluruh. Pengecualian terdapat pada plutonium-244 yang kemungkinan tersimpan dalam debu kosmik. Kandungan alami plutonium dan neptunium dihasilkan dari penangkapan neutron dalam bijih uranium.
Bumi mengandung sekitar 1.33 atom. Pada atmosfer planet, terdapat sejumlah kecil atom gas mulia seperti argon dan neon. Sisa 99% atom pada atmosfer bumi terikat dalam bentuk molekul, misalnya karbon dioksida, oksigen diatomik, dan nitrogen diatomik. Pada permukaan Bumi, atom-atom saling berikatan membentuk berbagai macam senyawa, meliputi air, garam, silikat, dan oksida. Atom juga dapat
bergabung membentuk bahan-bahan yang tidak terdiri dari molekul, contohnya kristal dan logam padat ataupun cair.
Manakala isotop dengan nomor atom yang lebih tinggi daripada timbal (62) bersifat radioaktif, terdapat suatu "pulau stabilitas" yang diajukan untuk beberapa unsur dengan nomor atom di atas 103. Unsur-unsur super berat ini kemungkinan memiliki inti yang secara relatif stabil terhadap peluruhan radioaktif. Atom super berat yang stabil ini kemungkinan besar adalah unbiheksium, dengan 126 proton 184 neutron.
Tiap-tiap partikel materi memiliki partikel antimaterinya masing-masing dengan muatan listrik yang berlawanan. Sehingga, positron adalah antielektron yang bermuatan positif, dan antiproton adalah proton yang bermuatan negatif, Ketika materi dan antimateri bertemu, keduanya akan saling memusnahkan. Terdapat ketidakseimbangan antara jumlah partikel materi dan antimateri. Ketidakseimbangan ini
masih belum dipahami secara menyeluruh, walaupun terdapat teori bariogenesis yang memberikan penjelasan yang memungkinkan. Antimateri tidak pernah ditemukan secara alami. Namun, pada tahun 1996, antihidrogen berhasil disintesis di laboratorium CERN di Jenewa.