Atomo

Atomoa (grezieratik: ἄτομος, atomos, «zatiezina») protoi eta neutroi nukleo batez osatutako partikula bat da, elektroi hodei batez inguratua. Atomoa elementu kimikoen oinarrizko partikula da, eta elementu kimikoak euren atomoetan dagoen protoi kopuruaren arabera bereizten dira. Adibidez, 11 protoi dituen edozein atomo sodioa da, eta 29 protoi dituen edozein atomo kobrea da. Neutroi kopuruak elementuaren isotopoa definitzen du.

Atomoak oso txikiak dira, 100 bat pikometroko diametrokoak normalean. Giza ile batek milioi bat karbono atomo inguru neurtzen ditu. Hau txikiagoa da ikusten den argiaren uhin luzerarik laburrena baino, eta horrek esan nahi du gizakiek ezin dituztela atomoak mikroskopio konbentzionalekin ikusi. Atomoak hain dira txikiak, ezen ezin baita zehatz aurreikusi haien portaera fisika klasikoa erabiliz, efektu kuantikoak direla eta.

Atomo baten masaren % 99,94 baino gehiago nukleoan dago. Protoiek karga elektriko positiboa dute, elektroiek karga elektriko negatiboa eta neutroiek ez dute karga elektrikorik. Protoi eta elektroi kopurua berdina bada, atomoa elektrikoki neutroa da. Atomo batek protoiak baino elektroi gehiago edo gutxiago baditu, orduan karga negatiboa edo positiboa du, hurrenez hurren, atomo horiei ioi deitzen zaie.

Atomo baten elektroiek eta nukleo atomikoaren protoiek indar elektromagnetikoaren bidez elkar erakartzen dute. Nukleoaren protoiek eta neutroiek ere elkar erakartzen dute indar nuklearrak direla eta. Indar hau indar elektromagnetikoa baino indartsuagoa izaten da, elkarren artean positiboki kargatutako protoiak uxatzen dituena. Egoera jakin batzuetan, aldaratzeko indar elektromagnetikoa indar nuklearra baino handiagoa da. Kasu honetan, nukleoa zatitu egiten da eta atzean hainbat elementu uzten ditu. Desintegrazio nuklearreko modu bat da.

Atomoak beste atomo batekin edo batzuekin lot daitezke lotura kimikoen bidez, molekulak edo kristalak bezalako konposatu kimikoak sortzeko. Atomoek elkartzeko eta bereizteko duten gaitasuna da naturan ikusitako aldaketa fisiko gehienen erantzulea. Kimika da aldaketa horiek aztertzen dituen diziplina.

Teoria atomikoaren historia

Atomoak filosofian 

Atomoaren kontzeptua Antzinako Greziatik dator, Demokrito, Leuzipo eta Epikuroren eskutik. Hala ere, materia partikula zatiezin txikiz osatuta dagoela dioen oinarrizko ideia antzinako kultura askotan ageri zen antzinatean. Kanada filosofo indiarrak ikuspegi atomista baten oinarriak garatu zituen, Vaiśeṣika Sūtra testu sanskritoan. Atomo hitza antzinako grezierazko atomos hitzetik dator, "zatiezina" esan nahi duena. Antzinako ideia hau arrazoiketa filosofikoetan oinarritzen zen, zientifikoetan baino gehiago. Teoria atomiko modernoa ez da antzinako kontzeptu horietan oinarritzen. XIX. mendearen hasieran, John Dalton zientzialariak ikusi zuen elementu kimikoak pisuzko unitate diskretuen bidez konbinatzen zirela, eta "atomo" hitza erabiltzea erabaki zuen unitate horiek aipatzeko, materiaren funtsezko unitateak zirela uste baitzuen. Mende bat geroago, gutxi gorabehera, Daltonen atomoak benetan zatiezinak ez direla aurkitu zen, baina terminoa mantendu egin zen.

Daltonen eredua (1803), ebidentzietan oinarritutako lehen teoria 

XIX. mendearen hasieran, John Dalton kimikari ingelesak bere eta beste zientzialari batzuen datu esperimentalak bildu zituen eta gaur egun "proportzio anitzen legea" bezala ezagutzen den patroi bat aurkitu zuen. Elementu kimiko jakin bat duten konposatu kimikoetan, osagai horren edukia, pisuari dagokionez, zenbaki oso txikien proportzioetan desberdina dela ikusi zuen. Eredu horrek iradokitzen zuen elementu kimiko bakoitza beste elementu batzuekin konbinatzen zela oinarrizko pisu-unitate baten bidez, eta Daltonek unitate horiei "atomo" deitzea erabaki zuen.

Adibidez, bi eztainu oxido mota daude: bat hauts grisa da, % 88,1 eztainua eta % 11,9 oxigenoa dituena, eta bestea hauts zuria, % 78,7 eztainua eta % 21,3 oxigenoa dituena. Kopuru horiek doituz gero, hauts grisean 13,5 g oxigeno daude 100 g eztainu bakoitzeko, eta hauts zurian 27 g oxigeno daude 100 g eztainu bakoitzeko. 13,5 eta 27k 1:2ko proportzioa osatzen dute. Daltonek ondorioztatu zuen oxido horietan eztainuzko atomo bakoitzeko oxigeno atomo bat edo bi daudela, hurrenez hurren (SnO eta SnO2)

Daltonek burdin oxidoak ere aztertu zituen. Burdin oxido mota bat dago, hauts beltza, % 78,1 burdina eta % 21,9 oxigenoa dituena; eta beste burdin oxido bat dago, % 70,4 burdina eta % 29,6 oxigenoa duen hauts gorria. Zifra horiek doituta, hauts beltzean 28 g oxigeno daude 100 g burdinako, eta hauts gorrian 42 g oxigeno daude 100 g burdinako. 28 eta 42k 2:3ko proportzioa osatzen dute. Daltonek ondorioztatu zuen oxido horietan, bi burdin atomo bakoitzeko, bi edo hiru oxigeno atomo daudela, hurrenez hurren (Fe2O2 eta Fe2O3).

Azken adibide gisa: oxido nitrosoa % 63,3 nitrogenoa eta % 36,7 oxigenoa da, oxido nitrikoa % 44,05 nitrogenoa eta % 55,95 oxigenoa, eta nitrogeno dioxidoa % 29,5 nitrogenoa eta % 70,5 oxigenoa. Kopuru horiek doituta, oxido nitrosoan 80 g oxigeno dago 140 g nitrogeno bakoitzeko, oxido nitrikoan 160 g oxigeno dago 140 g nitrogeno bakoitzeko, eta nitrogeno dioxidoan 320 g oxigeno dago 140 g nitrogeno bakoitzeko. 80, 160 eta 320k 1:2:4ko proportzioa osatzen dute. Oxido horien formulak N2O, NO eta NO2 dira.

Browndar higidura 

1827an, Robert Brown britainiar botanikariak ikusi zuen uretan flotatzen zuten polen-aleen barruko hauts-partikulak etengabe mugitzen zirela ageriko arrazoirik gabe. 1905ean, Albert Einsteinek teorizatu zuen mugimendu browndar hori aleak etengabe kolpatzen zituzten ur molekulek eragiten zutela, eta hura deskribatzeko eredu matematiko bat garatu zuen. Einsteinek matematikoki kalkulatu zituen atomoen neurria eta atomo kopurua mol batean. Eredu hau 1908an Jean Perrin fisikari frantziarrak esperimentalki balioztatu zuen.

Taula periodikoa 

Dmitri Mendeleiev kimikariak 1869an argitaratu zuen lehenengo taula periodikoa, eta ia aldi berean Julius Lothar Meyerrek antzera egin zuen 1870ean. Mendeleieven taula izenaz argitaratu zen lehen bertsioa. Biek ala biek proposatu zuten taula periodikoa antzeko moduan, elementuak zutabetan eta errenkadetan sailkaturik masa atomikoen arabera. Errenkada edo zutabe berriak egin zituzten, elementuen ezaugarriak errepikakorrak suertatzen zirenean. Handik gutxira, 1871an, Mendeleievek beste taula periodiko bat argitaratu zuen, baina oraingoan antzekoak ziren elementuen multzoak errenkadatan sailkatuta egon ordez, zutabetan zeuden banaturik. Gainera, oraindik aurkitu gabe zeuden elementuen deskribapen zehatza eskaini zuen. Hutsune haiek gerora beteko zirela iradoki zuen, kimikariek elementu natural berriak aurkitzean. Gauzak horrela, Mendeleieven lanaren onarpena bi arrazoi nagusiengatik gertatu zen: batetik, Mendeleievek hutsuneak utzi zituelako taulan aurkitu gabeko zeuden elementuentzat, eta, bestetik, alde batera utzi zuelako ordura arte erabiltzen zen sailkatze-ordena, taula pisu atomikoen arabera antolatuz.

Dena den, 1913. urtean, Henry Moseleyk, elementu bakoitzari zenbaki atomiko bat esleitu zien, eta horren ondorioz, zuzenketa bat egin behar izan zen taulan; izan ere, Mendeleievek pisu atomikoa erabili zuen elementuen sailkapena egiteko, eta horrek arazoak sortzen zituen. Hortaz, Moseleyren zehaztapenaren ondoren, arazo horiek konpontzeko, zenbaki atomikoaren arabera berrantolatu zen taula.

Gaur egun, eredu sinpleenean itxura hau du taula periodikoak:

Elektroiaren aurkikuntza eta Thomsonen eredua (1897) 

1897an, Joseph John Thomsonek aurkitu zuen izpi katodikoak ez direla uhin elektromagnetikoak, partikulak baizik, eremu elektriko eta magnetikoetatik desbidera daitezkeelako. Partikula horiek hidrogenoa (atomo arinena) baino 1.800 aldiz arinagoak zirela neurtu zuen. Thomsonek ondorioztatu zuen partikula horiek katodoaren atomoetatik zetozela: partikula subatomikoak ziren. Partikula berri hauei korpuskulu deitu zien, baina geroago elektroi bezala bataiatu ziren. Thomsonek ere elektroiak material fotoelektriko eta erradioaktiboek jaulkitako partikulen berdinak zirela frogatu zuen. Berehala onartu zen elektroiak direla korronte elektrikoa hari metalikoetan garraiatzen duten partikulak. Thomsonek ondorioztatu zuen elektroi horiek beren instrumentuen katodoaren atomoetatik sortzen zirela, eta horrek esan nahi zuen atomoak ez direla zatiezinak, Daltonek uste zuen bezala.

Aurkikuntza horri esker, materia bi zatitan banatua zegoela zehaztu zen, bata negatiboa eta bestea positiboa zena. Zati negatiboa elektroiez osatutakoa zen eta Thomsonen arabera, elektroi horiek karga positibodun masa batean murgildurik zeuden, mahaspasak bizkotxo batean egongo balira bezala. Beranduago, Jean Perrinek Thomsonen eredua eraldatu zuen, esanez, mahaspasak (elektroiak) bizkotxoan (zati positiboan) murgilduta egon ordez, kanpoaldean bakarrik zeudela.

Eredu honetan, ioi positibo zein negatiboak nola sortzen ziren azaldu zuen Thomsonek. Haren arabera, karga negatibodun partikulak nahikoak zirenean atomoaren karga positiboa konpentsatzeko, atomoa neutroa zen. Ondorioz, atomoak elektroi bat galtzen zuenean, atomoa positiboki kargatuta geratuko zela zioen eta aldiz, elektroi bat irabaztean negatiboki. Modu honetan, ioiak nola sortzen ziren azaldu zuen. Aitzitik, azaldu gabe utzi zituen bestelako erradiazioen existentzia.

Nagaokaren eredua (1904) 

Nagaoka fisikariak, Thomsonen eredua deuseztatu zuen. Izan ere, Nagaokak arrazoitu zuen, karga bat ezin zela aurkako karga elektriko batez zeharkatua izan. Desadostasun horren aurrean, Nagaokak bere eredu alternatiboa proposatu zuen, non, atomoaren zentroan karga positibo bat zegoen eta bere inguruan elektroiak zebiltzan biraka. Hain zuzen ere, Saturno eta bere eraztunak erabili zituen antzekotasun gisa.

Gauzak horrela, Nagaokak atomoaren lehen eredu planetarioa garatu zuen 1904. an, Rutherfordenaren antzekoa. Lehen esan bezala, Nagaokaren eredua, Saturno planeta masiboaren eta bere inguruko eraztunen arteko egonkortasunean, eta erlazio grabitatorioen analogian oinarritua zegoen. Izan ere, Nagaokaren ustez, Saturnoren eraztunak oso egonkorrak ziren Saturno planeta masiboaren inguruan biratzen zutelako.

Horrek atomora itzuliz bi aurreikuspen zekartzan:

 nukleo masibo baten existentzia (planetaren analogian);
 indar elektrostatiko baten ondorioz nukleo atomiko horri lotuta, nukleoaren inguruan biraka ibiliko ziren elektroiak egongo zirela (saturnoren eraztunei analogia eginez).

Nukleoaren aurkikuntza eta Rutherforden eredua (1911) 

Ernest Rutherfordek, Hans Geiger eta Ernest Marsden lankideek Thomsonen eredua zalantzan jarri zuten zailtasunak aurkitu ondoren, alfa partikulen karga-masa erlazioa neurtzeko tresna bat eraikitzen saiatu zirenean. Detekzio-ganberako aireak alfa partikulak sakabanatzen zituen, eta, beraz, neurketak ez ziren fidagarriak. Thomsonek antzeko arazo bat aurkitu zuen izpi katodikoei buruzko bere lanean, bere instrumentuetan hutsune ia perfektua sortuz konpondu zuena. Rutherfordek ez zuen uste arazo bera izango zuenik, alfa partikulak elektroiak baino askoz astunagoak direlako. Thomsonen atomoaren ereduaren arabera, atomoaren karga positiboa ez dago nahikoa kontzentratuta alfa partikula bat desbideratzeko bezain indartsua den eremu elektriko bat sortzeko, eta elektroiak hain dira arinak, ezen alfa partikulek esfortzurik gabe zeharkatu beharko lituzkete, askoz ere astunagoak baitira. Dispertsioa zegoen, ordea, eta Rutherfordek eta lankideek arretaz ikertzea erabaki zuten.

1908 eta 1913 artean, Rutherfordek eta lankideek alfa partikulak zituzten metalezko xafla finak bonbardatu zituzten esperimentu batzuk egin zituzten. Alfa partikulak 90º-tik gorako angeluetan desbideratzen zirela ikusi zuten. Hori azaltzeko, Rutherfordek proposatu zuen atomoaren karga positiboa ez dagoela bere bolumen osoan banatuta, Thomsonek uste zuen bezala, baizik eta erdian dagoen nukleo ñimiño batean kontzentratzen dela. Hain karga handiko kontzentrazio batek bakarrik sor lezake alfa partikulak desbideratzeko bezain indartsua den eremu elektriko bat, ikusi den bezala. Esperimentuari Rutherforden esperimentu izena ematen zaio.

Thomson bezalaxe, Rutherford ere bat zetorren atomoa zati positibo eta negatibo batez osatua zegoelako ideiarekin. Bestalde, Thomsonekiko desberdinduz, aldarrikatu zuen zati positibo guztia nukleoan kontzentraturik zegoela eta bera zela “birtualki” atomoaren masa guztiaren jabe. Horrez gain, nukleoaren gainazalaren inguruan elektroiak orbita eliptiko edo zirkularretan orbitatzen zutela zioen, eta haien arteko espazioa hutsa zegoela. 1920. urtean, Rutherfordek neutroiaren existentzia iragarri zuen.

Zoritxarrez, eredu atomiko honek ere zenbait ideien artean koherentzia falta zuen. Batetik, James Clerk Maxwellen elektromagnetismoaren arauarekin kontraesanak zituen eta azken haiek, datu esperimentalen bidez egiaztatuta zeuden. Bestetik, Rutherfordek ez zituen espektro atomikoak azaldu.

Isotopoen aurkikuntza 

Desintegrazio erradioaktiboaren produktuekin esperimentatzen ari zela, 1913an, Frederick Soddy erradiokimikariak taula periodikoaren posizio bakoitzean atomo mota bat baino gehiago zegoela ikusi zuen. Isotopo terminoa Margaret Toddek sortu zuen, elementu berekoak diren atomo ezberdinentzako izen egoki gisa. J. J. Thomsonek isotopoak bereizteko teknika bat sortu zuen, gas ionizatuei buruz egindako lanei esker, eta, ondoren, isotopo egonkorrak aurkitu zituzten.

Bohrren eredua (1913) 

1913an, Niels Bohr fisikariak atomo bateko elektroiek nukleoaren inguruan orbitatzen zutela uste zen eredu bat proposatu zuen, baina orbita-multzo mugatu batean bakarrik egin zezaketen, eta orbita horien artean fotoi baten xurgapenari edo erradiazioari zegozkion energia-aldaketa diskretuak baino ezin zituzten egin. Kuantizazio hori elektroien orbitak egonkorrak zergatik diren azaltzeko erabili zen (normalean azelerazio-kargek, mugimendu zirkularra barne, erradiazio elektromagnetiko gisa igortzen den energia zinetikoa galtzen baitute, ikus sinkrotroi-erradiazioa) eta elementuek zergatik xurgatzen eta igortzen duten erradiazio elektromagnetikoa espektro diskretuetan.

Urte berean, Henry Moseleyk Niels Bohrren teoriaren aldeko froga esperimental gehigarriak aurkeztu zituen. Emaitza horiek Ernest Rutherford eta Antonius van den Broeken eredua findu zuten. Eredu horren arabera, atomoak karga nuklear positiboen kopurua du nukleoan, taula periodikoan duen zenbaki atomikoaren parekoa. Esperimentu hauek egin arte, ez zegoen jakiterik zenbaki atomikoa magnitude fisiko eta esperimentala zenik. Karga nuklear atomikoaren berdina izatea da gaur egun onartzen den eredu atomikoa.

Atomoen arteko lotura kimikoak Gilbert Newton Lewisek azaldu zituen 1916an, bere elektroi osagaien arteko interakzioak bezala. Elementuen propietate kimikoak lege periodikoaren arabera neurri handi batean errepikatzen zirela jakina zenez, 1919an Irving Langmuir kimikari estatubatuarrak iradoki zuen hori azal zitekeela atomo baten elektroiak nolabait konektatuta edo multzokatuta baleude. Elektroi multzoek nukleoaren inguruan elektroi geruza multzo bat hartzen zutela pentsatu zen.

Bohrren eredua atomoaren lehen modelo fisiko osoa izan zen. Atomoaren egitura orokorra deskribatzen zuen, atomoak elkarrekin nola lotzen diren eta hidrogenoaren espektro-lerroak aurreikusten zituen. Bohrren eredua ez zen perfektua, eta laster Schrödingerren ereduak ordezkatu zuen, zehatzagoa, baina nahikoa izan zen materiaren konposizio atomikoari buruzko edozein zalantza uxatzeko. Kimikarientzat, atomoaren ideia tresna heuristiko erabilgarria izan zen, baina fisikariek zalantzak zituzten materia benetan atomoz osatuta ote zegoen, inork ez baitzuen oraindik atomoaren eredu fisiko osoa garatu.

Sommerfelden eredua (1916) 

Sommerfeldek zioen Bohrren eredu atomikoa oso egokia zela hidrogeno atomoaren kasurako. Aldiz, beste elementu batzuen atomoen espektroak osatzerakoan aztertu zuen maila energetiko bereko elektroiek energia desberdina zutela. Honela, Bohrren ereduak erroreren bat zuela aitortu zuen. Beraz, Arnold Sommerfelden ondorioa zera izan zen, maila energetiko beraren barruan azpimailak egon behar zirela, energia arinki desberdinarekin.

Fisikari alemaniarrak, Albert Einsteinen erlatibitatearen teoriaren laguntzarekin, honako aldaketak egin zizkion Bohrren ereduari 1916. urtean:

 elektroiak nukleoaren inguruan dabiltza orbita zirkular edota eliptikoetan;
 bigarren maila energetikotik aurrera bi azpimaila energetiko edo gehiago existitzen dira;
 elektroia korronte elektriko ñimiño bat da.

Hortaz, Sommerfelden eredu atomikoa Bohrrenaren orokorketa bat da ikuspuntu erlatibista batetik. Bestalde, orbitak zirkularrak izan beharrean eliptikoak zirela aldarrikatu bazuen ere, ez zen gai izan orbita eliptikoetan emisioa nola gertatzen zen azaltzeko.

Schrödingerren eredua (1926) 

1922ko Stern-Gerlachen esperimentuak propietate atomikoen izaera kuantikoa frogatu zuen. Eremu magnetiko batetik zilarrezko atomo sorta bat modu berezian pasaraztean, sorta momentu angeluarraren edo atomo baten spinaren norabidearekin korrelazioan desbideratu zen. Spinaren norabidea hori hasieran ausazkoa denez, izpia ausazko norabide batean desbideratzea espero liteke. Horren ordez, izpia bi norabide-osagaitan banatu zen, eremu magnetikoarekiko gorantz edo beherantz orientatutako spin atomikoari zegozkionak.

1925ean, Werner Heisenbergek mekanika kuantikoaren (matrize-mekanika) lehen formulazio matematiko koherentea argitaratu zuen. Urtebete lehenago, Louis de Brogliek Broglieren hipotesia proposatu zuen: partikula guztiek neurri bateraino uhin gisa jokatzen dutela, eta 1926an Erwin Schrödingerrek ideia hori erabili zuen Schrödingerren ekuazioa garatzeko, atomoaren eredu matematikoa (mekanika ondulatorioa), elektroiak partikula puntualen ordez uhin tridimentsionaleko forma gisa deskribatzen zituena.

Partikulak deskribatzeko uhin-formak erabiltzearen ondorio bat da matematikoki ezinezkoa dela une jakin batean partikula baten posizioaren eta unearen balio zehatzak lortzea. Hau ziurgabetasun printzipioa bezala ezagutzen da, Werner Heisenbergek 1927an formulatua. Kontzeptu honen arabera, posizio baten neurketan zehaztasun zehatz baterako momenturako eta alderantziz probabilitate maila bakarra lor zitekeen. Eredu hau aurreko ereduek azaldu ezin zituzten portaera atomikoaren behaketak azaltzeko gai zen, hidrogenoa baino handiagoak ziren atomoen zenbait egitura-patroi eta espektro, esate baterako. Horrela, atomoaren eredu planetarioa baztertu egin zen nukleoaren inguruko gune orbital atomikoak deskribatzen zituen beste baten mesedetan, non elektroi jakin bat behatzeko aukera handiagoa dagoen.

Dirac-en 1928. urteko ereduan Schrödingerren antzeko suposizioak erabiltzen dira, nahiz eta abiapuntua desberdina izan. Dirac-en abiapuntua uhin-funtzioaren ekuazio erlatibista da, Dirac-en ekuazio deitua. Eredu honek, elektroiaren spin-a modu naturalago batean gehitzea ahalbidetzen du. Dirac-ek Schrödingerren maila energetiko antzekoak aurreikusten ditu, baina zuzenketa erlatibista batzuk eginda.

Neutroiaren aurkikuntza 
Masa espektrometroaren garapenak atomoen masa zehaztasun handiagoz neurtzea ahalbidetu zuen. Aparatuak iman bat erabiltzen du ioi-sorta baten ibilbidea desbideratzeko, eta desbideratze-kantitatea atomo baten masaren eta kargaren arteko erlazioak zehazten du. Tresna hau erabili zuen Francis William Aston kimikariak isotopoek masa desberdinak zituztela frogatzeko. Isotopo hauen masa atomikoa kopuru osotan aldatzen zen, zenbaki osoen erregela izenaz ezagutzen dena. 1932an argitu zen isotopo ezberdinen existentzia, James Chadwick fisikariak neutroia aurkitzean, protoiaren antzeko masa duen kargarik gabeko partikula. Orduan, protoi kopuru bera baina nukleo barruko neutroi kopuru ezberdina zuten elementu gisa azaldu ziren isotopoak.

Fisioa, energia-altuko fisika eta materia kondentsatua 
1938an, Otto Hahn kimikari alemaniarrak, Rutherforden ikasleak, neutroiak uranio-atomoetara zuzendu zituen, elementu transuranikoak lortuko zituelakoan. Horren ordez, haren esperimentu kimikoaren emaitza barioa izan zen. Urtebete geroago, Lise Meitnerrek eta bere iloba Otto Frischek egiaztatu zuten Hahnen emaitza lehen fisio nuklear esperimentala izan zela. 1944an, Hahnek Kimikako Nobel Saria jaso zuen. Hahnen ahaleginak gorabehera, Meitner eta Frischen ekarpenak ez ziren onartu.

1950eko hamarkadan, partikula-azeleragailuen eta partikula-detektagailu hobetuen garapenak energia handietan mugitzen diren atomoen inpaktuak aztertzeko aukera eman zien zientzialariei. Neutroiak eta protoiak hadroiak edo quarkak izeneko partikula txikiagoen konposatuak zirela aurkitu zen. Partikulen fisikaren eredu estandarra garatu zen, orain arte nukleoaren propietateak partikula subatomiko horien terminoetan arrakastaz azaldu dituena, baita haien elkarrekintzak gobernatzen dituzten indarrak ere.

Egitura atomikoa

Partikula subatomikoak 

Jatorrian atomo hitzak beste partikula txikiago batzuetan banatu ezin zitekeen partikula bat izendatzen zuen arren, erabilera zientifiko modernoan atomoa partikula subatomiko ezberdinez osatuta dago. Atomo bat osatzen duten partikulak elektroia, protoia eta neutroia dira.

Elektroia da, alde handiarekin, partikula horien artean masa gutxien duena, 9,11 × 10-31 kg-rekin, karga elektriko negatiboarekin eta tamaina txikiegiarekin eskura dauden teknikekin neurtzeko. Neutrinoaren masa aurkitu arte neurtutako partikula arinena zen, atseden masa positiboa zutenen artean. Baldintza normaletan, elektroiek bat egiten dute kontrako karga elektrikoek sortutako erakarpenak positiboki kargatutako nukleoarekin. Atomo batek bere zenbaki atomikoak baino elektroi gehiago edo gutxiago baditu, orduan negatiboki edo positiboki kargatzen da bere osotasunean; kargatutako atomo bati ioi deitzen zaio. Elektroiak XIX. mendearen amaieratik ezagutzen dira, batez ere J.J. Thomsoni esker.

Protoiek karga positiboa eta elektroiarena halako 1.836 masa dute, 1,6726 × 10-27 kg. Atomo baten protoi kopuruari zenbaki atomikoa deitzen zaio. Ernest Rutherfordek (1919) ikusi zuen nitrogenoak, alfa partikulen bonbardaketapean, hidrogeno nukleoak ziruditena kanporatzen zuela. 1920an onartu zuen hidrogeno-nukleoa atomoaren barruko partikula desberdin bat dela, eta protoi deitu zion.

Neutroiek ez dute karga elektrikorik eta elektroiaren masa 1.839 aldiz masa librea dute, hau da, 1,6749 × 10-27 kg. Neutroiak hiru partikula elementaletatik pisutsuenak dira, baina horien masa murriztu daiteke lotura nuklearreko energiari esker. Neutroiek eta protoiek (nukleoi gisa ezagutzen direnak) neurri konparagarriak dituzte, 2,5 × 10-15 m ingurukoak, nahiz eta partikula horien "azalera" ez dagoen argi zehaztuta. Neutroia 1932an aurkitu zuen James Chadwick ingeles fisikariak.

Fisikaren Eredu Estandarrean, elektroiak barne-egiturarik gabeko benetako partikula elementalak dira; protoiak eta neutroiak, berriz, quark izeneko partikula elementalez osatutako partikula konposatuak dira. Atomoetan bi quark mota daude, bakoitzak karga elektriko zatikatua duelarik. Protoiak bi goi quarkek (bakoitzak 2/3 karga) eta behe quark batek (-1/3 kargarekin) osatzen dituzte. Neutroiak goi quark batez eta bi behe quarkez osatuta daude. Bereizketa horrek bi partikulen arteko masa eta karga diferentzia azaltzen du.

Quarkak elkarrekintza bortitzaren (edo indartsuaren) bidez elkartuta mantentzen dira, gluoien bitartez. Protoiak eta neutroiak, aldi berean, nukleoan batuta mantentzen dira indar nuklearraren bidez. Indar bortitzaren hondakin bat da, eta propietate desberdinak ditu. Gluoia gauge bosoien familiako kide bat da, indar fisikoen bitarteko oinarrizko partikulak direnak.

Atomoaren nukleoa 

Atomo baten protoi eta neutroi batu guztiek atomo nukleo ñimiño bat osatzen dute. Partikula horiei nukleoi deitzen zaie kolektiboki. Nukleo baten erradioa gutxi gorabehera  femtometro da, non  nukleoi kopuru osoa den. Atomoaren erradioa baino askoz txikiagoa da, 105 fm ingurukoa dena. Nukleoiak indar nuklear izeneko irismen laburreko potentzial erakargarri batek lotzen ditu. 2,5 fm-tik beherako distantzietan, indar hau indar elektrostatikoa baino askoz indartsuagoa da, positiboki kargatutako protoiak elkarrengandik aldentzen dituena.

Elementu bereko atomoek protoi kopuru bera dute, zenbaki atomikoa deritzona (Z sinboloa). Elementu beraren barruan neutroi kopurua alda daiteke, eta horrek elementu horren isotopoa zehazten du. Protoi eta neutroi kopuru osoak nukleoa zehazten du. Protoiekiko neutroi kopuruak nukleoaren egonkortasuna baldintzatzen du, isotopo batzuek desintegrazio erradioaktiboa jasaten baitute.

Protoia, elektroia eta neutroia fermioi gisa sailkatzen dira. Fermioiek Pauliren bazterketa printzipioari jarraitzen diote, zeinak debekatzen baitu fermioi identikoek, adibidez protoiak, aldi berean egoera kuantiko bera hartzea. Horrela, nukleoko protoi bakoitzak beste protoi guztien egoera kuantiko desberdina izan behar du, eta gauza bera aplikatzen zaie nukleoko neutroi guztiei eta hodei elektronikoko elektroi guztiei.

Nukleo batek protoi eta neutroi kopuru desberdina badu, energia gutxiagoko egoera batera jaits daiteke desintegrazio erradiaktibo baten bidez, protoi eta neutroi kopurua estuago bat etor dadin. Ondorioz, protoi eta neutroi zenbaki berdinak dituzten atomoak egonkorragoak dira desintegrazioaren aldean, baina atomo kopurua handitzean, protoien elkarrekiko aldaratzeak gero eta neutroi proportzio handiagoa eskatzen du nukleoaren egonkortasunari eusteko.

Nukleo atomikoaren protoi eta neutroi kopurua alda daiteke, baina horrek energia oso altuak eska ditzake indar indartsuaren ondorioz. Fusio nuklearra partikula atomiko batzuk batzen direnean gertatzen da, nukleo astunago bat sortzeko, adibidez, bi nukleoren talka energetikoaren bidez. Adibidez, Eguzkiaren nukleoan, protoiek 3 eta 10 keV arteko energiak behar dituzte elkarrekiko urruntzea gainditzeko (Coulomben hesia) eta nukleo bakar batean fusionatzeko. Fisio nuklearra kontrako prozesua da, non nukleo bat bi nukleo txikiagotan banatzen den, normalean desintegrazio erradioaktiboaren bidez. Nukleoa partikula subatomikoak edo energia handiko fotoiak bonbardatuz ere alda daiteke. Horrek nukleo baten protoi kopurua aldatzen badu, atomoa elementu kimiko desberdin batera aldatzen da.

Fusio-erreakzio baten ondoren nukleoaren masa partikula bereizien masen batura baino txikiagoa bada, orduan bi balio horien arteko diferentzia energia erabilgarri mota gisa isur daiteke (gamma izpi bat edo beta partikula baten energia zinetikoa bezala), Albert Einsteinen masa-energia baliokidetasun formulak deskribatzen duen bezala,  non  masa galtzea da, eta  argiaren abiadura da. Defizit hori nukleo berriaren lotura-energiaren parte da, eta energiaren galera berreskuraezina da fusionatutako partikulak elkarrekin geratzea eragiten duena, banatzeko energia hori behar duen egoera batean.

Burdinak eta nikelak (guztira 60 nukleoi inguru) baino zenbaki atomiko txikiagoak dituzten nukleo handiagoak sortzen dituzten bi nukleoren fusioa prozesu exotermikoa izan ohi da, eta horiek batzeko behar den energia baino gehiago askatzen du. Energia askatzeko prozesu horrek eragiten du izarren fusio nuklearra erreakzioa berez mantentzeko gai izatea. Nukleo astunenen kasuan, nukleoi bakoitzeko lotura-energia gutxitzen hasten da nukleoan. Horrek esan nahi du 26tik gorako zenbaki atomikoak eta 60tik gorako masa atomikoak dituzten nukleoak sortzen dituzten fusio-prozesuak prozesu endotermikoak direla. Nukleo masiboagoek ezin dute jasan izar baten oreka hidrostatikoari eutsi diezaiokeen energia-fusio ekoizlearen erreakziorik.

Elektroi-hodeia 

Indar elektromagnetikoak atomoaren elektroiak nukleoaren protoietara erakartzen ditu. Indar horrek elektroiak batzen ditu nukleo txikiena inguratzen duen potentzial-putzu elektrostatikoko baten barruan, eta horrek esan nahi du kanpoko energia-iturri bat behar dela elektroiak ihes egin ahal izateko. Elektroi bat nukleotik zenbat eta gertuago egon, orduan eta erakarpen-indar handiagoa izango du. Horregatik, potentzial-putzuaren erdigunetik gertu lotutako elektroiek energia gehiago behar dute ihes egiteko, gehien bereizten direnek baino.

Elektroiek, beste partikula batzuek bezala, partikula eta uhin propietateak dituzte. Elektroi-hodeia potentzial-putzuaren barruko eskualde bat da, eta elektroi bakoitzak hiru dimentsioko uhin geldikor mota bat osatzen du, nukleoarekiko mugitzen ez den uhin-forma bat. Portaera hau orbital atomiko batek definitzen du, elektroi bat bere posizioa neurtzen denean leku jakin batean egoteko probabilitatea ezaugarritzen duen funtzio matematiko batek. Nukleoaren inguruan orbital horien multzo diskretu (edo kuantizatu) bakarra dago, izan ere, beste uhin-eredu posible batzuk azkar jaisten dira forma egonkorrago baterantz. Orbitalek eraztun edo nodo egitura bat edo gehiago izan ditzakete, eta desberdinak dira tamainari, formari eta orientazioari dagokienez.

Orbital atomiko bakoitza elektroiaren energia-maila partikular bati dagokio. Elektroiak energia-maila altuago batera alda dezake bere egoera, egoera kuantiko berrira bultzatzeko energia nahikoa duen fotoi bat xurgatuz. Era berean, berezko igorpenaren bidez, energia-egoera altuagoan dagoen elektroi bat beheragoko energia-egoerara jaitsi daiteke, fotoi moduan soberan dagoen energia irradiatuz. Energia-balio bereizgarri horiek, egoera kuantikoen energien arteko desberdintasunek definitzen dituztenak, espektro-lerro atomikoen arduradunak dira.

Elektroi bat ezabatzeko edo gehitzeko behar den energia kopurua –elektroiaren lotura-energia– nukleoien lotura-energia baino askoz txikiagoa da. Adibidez, soilik 13,6 eV behar dira hidrogeno atomo baten oinarrizko egoeratik elektroi bat ateratzeko, eta deuterio nukleo bat zatitzeko, berriz, 2,23 milioi eV behar dira. Atomoak elektrikoki neutroak dira protoi eta elektroi kopuru bera badute. Elektroi gutxiegi edo gehiegi dituzten atomoei ioi esaten zaie. Nukleotik urrunen dauden elektroiak hurbileko beste atomo batzuetara transferi daitezke edo atomoen artean parteka daitezke. Mekanismo horri esker, atomoak molekuletan eta beste konposatu kimiko batzuetan batu daitezke, hala nola sare ionikoko kristaletan eta kobalenteetan.

Propietate atomikoak

Nukleoaren propietateak 

Definizioz, nukleoan protoi kopuru bera duten bi atomo elementu kimiko berekoak dira. Protoi kopuru berdina baina neutroi kopuru desberdina duten atomoak elementu beraren isotopo desberdinak dira. Adibidez, hidrogeno atomo guztiek protoi bat onartzen dute zehazki, baina neutroirik gabeko isotopoak daude (hidrogenoa-1, forma arruntena alde handiarekin, protio ere deitua), neutroi batekin (deuterio), bi neutroirekin (tritio) eta bi neutroi baino gehiagorekin. Elementu ezagunek zenbaki atomikoen multzo bat osatzen dute, protoi bakarreko elementutik, hidrogenotik, 118 protoiko elementuraino, oganesoneraino. 82tik gorako zenbaki atomikoak dituzten elementuen isotopo ezagun guztiak erradioaktiboak dira, nahiz eta 83. elementuaren erradioaktibitatea (bismutoa) hain urria izan, ia arbuiagarria dela.

Lurrean 339 nuklido inguru daude modu naturalean, eta horietatik 251ek (% 74 inguru) ez dute desintegraziorik jasan, eta "isotopo egonkorrak" deitzen zaie. Soilik 90 nuklido dira teorikoki egonkorrak, eta ez da ikusi beste 161en desintegrazioa (251 guztira), teorian energetikoki posible den arren. Horiek ere "egonkor" gisa sailkatzen dira formalki. Beste 35 nuklido erradioaktibok 100 milioi urtetik gorako batez besteko bizitzak dituzte, eta Eguzki Sistema sortu zenetik bertan egoteko bezainbeste biziraun dute. 286 nukleoko multzo horiei funtsezko nuklido esaten zaie. Azkenik, jakina da bizitza laburreko beste 53 nuklido modu naturalean agertzen direla, funtsezko nuklidoen desintegrazioaren ondoriozko produktu gisa (uranioa edo radioa, adibidez), edo Lurreko energia-prozesu naturalen produktu gisa, hala nola izpi kosmikoen bonbardaketa (adibidez, karbono-14).

Elementu kimikoetako 80rentzat isotopo egonkor bat dago gutxienez. Oro har, isotopo egonkor sorta bat baino ez dago elementu horietako bakoitzerako, eta batez bestekoa 3,1 isotopo egonkor daude elementu bakoitzeko. Hogeita sei "elementu monoisotopikok" isotopo egonkor bakarra dute, eta elementu batek hamar isotopo egonkor ditu, eztainuak. 43., 61. eta 83 zenbakidun edo goragoko elementu guztiek ez dute isotopo egonkorrik.

Protoien eta neutroien arteko proportzioak eragina du isotopoen egonkortasunean, baita bilgarri kuantiko itxi eta beteak irudikatzen dituzten neutroi edo protoien "zenbaki magiko" batzuen presentziak ere. Bilgarri kuantiko horiek nukleoaren bilgarri-ereduaren barruko energia-mailen multzo bati dagozkio; bilgarri beteek, eztainuaren 50 protoiz betetako bilgarriak bezala, nukleoari ezohiko egonkortasuna ematen diote. Ezagutzen diren 251 nukleo egonkorretatik, lauk bakarrik dute protoi-kopuru bakoitia eta neutroi-kopuru bakoitia: hidrogeno-2 (deuterio), litio-6, boro-10 eta nitrogeno-14. (Tantalio-180m bakoitia-bakoitia da eta behaketan egonkorra da, baina batez besteko bizitza oso luzearekin gainbehera izango duela aurreikusten da). Gainera, lau nukleo bakoiti erradioaktibo naturalek bakarrik dute mila milioi urtetik gorako batez besteko bizitza: potasio-40k, banadio-50ek, lantano-138k eta lutezio-176k. Nukleo bakoiti gehienak oso ezegonkorrak dira beta desintegrazioari dagokionez, desintegrazio-produktuak bikoiti-bakoitiak direlako eta, beraz, lotura handiagoa dutelako, parekatze nuklearraren ondorioz.

Masa 

Atomo baten masa gehiena protoietatik eta neutroietatik dator. Atomo jakin batean partikula horien ("nukleoi" izenekoak) guztizko kopuruari masa-zenbakia esaten zaio. Zenbaki oso positiboa eta adimentsionala da (masa-dimentsioa izan beharrean), zenbaketa bat adierazten duelako. Masa-zenbaki baten erabileraren adibide bat "karbono-12" da, 12 nukleoi dituena (sei protoi eta sei neutroi).

Atsedenean dagoen atomo baten masa erreala daltonetan (Da) adierazi ohi da, masa atomiko bateratuaren unitatea ere deitua (u). Unitate hau honela definitzen da: karbono-12 libre eta neutro baten masaren hamabirena, gutxi gorabehera 1,66 × 10-27 kg. Hidrogeno-1ak (hidrogenoaren isotopo arinena, masa txikieneko nukleoa ere badena) 1,007825 Da-ko pisu atomikoa du. Zenbaki honen balioa masa atomikoa deitzen da. Atomo batek masa atomiko bat du masa-zenbaki unitatearekin biderkatuta, %1eko aldearekin gehienez (adibidez, nitrogeno-14 atomo baten masa 14 Da da gutxi gorabehera), baina zenbaki hori ez da zehazki zenbaki oso bat izango, karbono-12aren kasuan izan ezik (definizioz). Atomo egonkor astunena beruna-208 da, 207,9766521 Da-ko masarekin.

Atomo masiboenak ere arinegiak direnez haiekin zuzenean lan egiteko, kimikariek mol unitatea erabiltzen dute. Edozein elementuren mol batek beti atomo kopuru bera du (gutxi gorabehera 6,022 × 1023). Zenbaki hori aukeratu zen elementu batek 1 u-ko masa atomikoa badu, elementu horren atomo-mol batek gramo baten inguruko masa izan dezan. Masa atomiko bateratuaren unitatearen definizioa dela eta, karbono-12 atomo bakoitzak zehazki 12 Da-ko masa atomikoa du, eta, beraz, karbono-12 atomoen mol batek 0,012 kg-ko pisua du, definizioz.

Karga 
Hurrengo taulan, partikula bakoitzaren ezaugarriak ematen dira: izena, karga eta masa.

Protoien karga elektrikoa, positiboa da, elektroiena berriz, negatiboa. Bestalde neutroiak bi karga motak dituztenez, elkar konpentsatzen dira partikula neutroak osatuz. Atomo batean protoi eta elektroi kopurua berdina bada, atomoa neutroa izango da. Aldiz, atomo batek elektroi gehiago edo gutxiago baditu protoiak baino, atomoa kargatua geratuko da. Kargatutako atomoei ioi deritze. Ioien artean bi mota bereizten dira: katioia eta anioia. Elektroiak galtzen dituzten atomoak positiboki kargatuak geratzen dira eta katioi izena hartzen dute. Aldiz, anioiei alderantzizkoa gertatzen zaie, elektroiak irabazten dituztenez, negatiboki kargatuak geratzen dira.

Forma eta tamaina 

Atomoek ez dute ongi zehaztutako kanpo-mugarik, eta, beraz, haien dimentsioak erradio atomikoaren terminoetan deskribatu ohi dira. Elektroien hodeia nukleotik zabaltzen den distantziaren neurketa bat da. Horrek esan nahi du atomoak forma esferikoa duela, eta hori hutsean edo espazio librean dauden atomoentzat bakarrik betetzen dela. Erradio atomikoak bi nukleoren arteko distantzietatik erator daitezke, bi atomoak lotura kimiko batean elkartuta daudenean. Erradioa aldatu egiten da atomo bat taula periodikoan duen kokapenarekin, lotura kimiko motarekin, inguruko atomo kopuruarekin (koordinazio zenbakia) eta spin bezala ezagutzen den propietate mekaniko kuantiko batekin. Taula periodikoan, atomoaren tamaina handitu egiten da zutabeetan beherantz desplazatzen denean, baina murriztu egiten da errenkadetan zehar desplazatzen denean (ezkerretik eskuinera). Atomo txikiena helioa da, 32 pikometroko erradioarekin, eta handienetakoa, berriz, zesioa, 225 pm-ko erradioarekin. Honen azalpena da taulako errenkada batean eskumarantz protoi kopurua handitzen dela, eta horrek lotzen ditu estuago bere inguruko elektroiak.

Kanpoko indarren mende jartzen denean, hala nola eremu elektrikoen pean, atomo baten forma simetria esferikotik desbidera daiteke. Deformazioa eremuaren magnitudearen eta kanpoko geruzako elektroien orbital motaren araberakoa da, taldeen kontsiderazio teorikoek erakusten duten bezala. Desbideratze esferikoak, adibidez, kristaletan gerta daitezke, non eremu elektriko kristalino handiak ager daitezkeen sarearen simetria txikiko puntuetan. Frogatu da deformazio elipsoidal handiak gertatzen direla sufre-ioietarako eta kalkogeno-ioietarako, pirita motako konposatuetan.

Dimentsio atomikoak argiaren uhin-luzerak (400-700 nm) baino milaka aldiz txikiagoak dira; beraz, ezin dira mikroskopio optiko batekin bistaratu, baina tunel efektuko mikroskopio batekin atomo indibidualak ikus daitezke. Atomoaren zehaztasuna ikusteko, kontuan hartu giza ile tipiko batek milioi bat karbono-atomo inguru dituela zabaleran. Ur-tanta bakar batek oxigeno-atomoen 2.000 trilioi (2 × 1021) eta hidrogeno-atomoen bikoitza ditu. 2 × 10-4 kg-ko masa duen kilate bakarreko diamante batek 10.000 trilioi (1022) karbono-atomo ditu. Sagar bat Lurraren neurriraino handituko balitz, sagarraren atomoak jatorrizko sagarraren tamainakoak izango lirateke gutxi gorabehera.

Honako taulak J. C. Slaterrek 1964an neurtutako erradio kobalenteak ematen ditu, pikometrotan.

Desintegrazio erradioaktiboa 

Elementu bakoitzak isotopo bat edo batzuk ditu, desintegrazio erradioaktiboaren eraginpean dauden nukleo ezegonkorrak dituztenak, eta, horren ondorioz, nukleoak partikulak edo erradiazio elektromagnetikoa igortzen ditu. Erradioaktibitatea gerta daiteke nukleo baten erradioa handia denean elkarrekintza bortitzaren erradioarekin alderatuta, zeinak 1 fm inguruko distantzietan baino ez baitu eragiten.

Desintegrazio erradioaktiboaren modurik ohikoenak hauek dira:

 Alfa desintegrazioa: prozesu hau nukleoak alfa partikula bat igortzen duenean gertatzen da, bi protoik eta bi neutroik osatzen duten heliozko nukleoa dena. Emisioaren emaitza zenbaki atomiko baxuagoa duen elementu berri bat da.
 Beta desintegrazioa (eta elektroiak harrapatzea): prozesu horiek elkarrekintza nuklear ahulak erregulatzen ditu, eta neutroi bat protoi bihurtzearen edo protoi bat neutroi bihurtzearen ondorio dira. Neutroitik protoirako trantsizioarekin batera elektroi bat eta antineutrino bat isurtzen dira, eta protoitik neutroira igarotzeak (elektroien harrapaketan izan ezik) positroi bat eta neutrino bat igortzen ditu. Elektroien edo positroien emisioei beta partikulak esaten zaie. Beta desintegrazioak nukleoaren zenbaki atomikoa handitzen edo gutxitzen du. Elektroien atzipena positroien emisioa baino ohikoagoa da, energia gutxiago behar baitu. Desintegrazio mota horretan, nukleoak elektroi bat xurgatzen du, positroi bat isuri beharrean. Prozesu horretan neutrino bat igortzen jarraitzen da eta protoia neutroi bihurtzen da.
 Gamma desintegrazioa: prozesu hau nukleoaren energia-maila beheragoko egoera batera aldatzearen emaitza da, eta, horren ondorioz, erradiazio elektromagnetikoa igortzen da. Gamma igortzea eragiten duen nukleo baten eszitazio-egoera alfa edo beta partikula bat jaulki ondoren gertatzen da. Horrela, gamma desintegrazioak alfa edo beta desintegrazioarekin jarraitu ohi du.

Desintegrazio erradioaktiboaren beste mota arraroago batzuk neutroien edo protoien eiekzioa edo nukleo bateko nukleoi-multzoak edo beta partikula bat baino gehiago dira. Nukleo kitzikatuei energia modu ezberdin batean galtzea ahalbidetzen dien gamma emisioaren analogo bat barne bihurketa da, beta izpiak ez diren abiadura handiko elektroiak sortzen dituen prozesu bat, ondoren gamma izpiak ez diren energia handiko fotoien ekoizpena. Nukleo handi gutxi batzuek masa aldakorrez eta neutroiz betetako bi zati edo gehiagotan ustiatzen dute, berezko fisio nuklearra izeneko desintegrazioan.

Isotopo erradioaktibo bakoitzak desintegrazio-aldi bereizgarri bat du, semidesintegrazio-periodo edo bizi-erdi deitua, lagin baten erdia desintegratzeko behar den denborak zehazten duena. Desintegrazio esponentzialeko prozesu bat da, eta etengabe murrizten du gainerako isotopoaren proportzioa: % 50, bizi-erdiko. Hots, bi bizi-erdiren ondoren, isotopoaren % 25 baino ez da geratzen, eta horrela hurrenez hurren.

Momentu magnetikoa 
Oinarrizko partikulek propietate mekaniko kuantiko intrintsekoa dute, spin bezala ezagutzen dena. Bere masa-zentroaren inguruan biratzen duen objektu baten momentu angeluarraren antzekoa da, baina zentzu hertsian partikula horiek puntualak direla uste da, eta ezin da esan biratzen dutenik. Spina Plancken konstante (ħ) murriztuaren unitateetan neurtzen da, eta elektroiek, protoiek eta neutroiek  ħ spin duate, edo "spin-". Atomo batean, nukleoaren inguruan mugimenduan dauden elektroiek momentu angeluar orbitala dute, spinaz gain; nukleoak berak, berriz, momentu angeluarra du, bere espin nuklearra dela eta.

Atomo batek sortutako eremu magnetikoa -bere momentu magnetikoa- momentu angeluarreko forma ezberdinek zehazten dute, biraketan kargatutako objektu batek eremu magnetiko bat sortzen duen bezala, baina kontribuziorik nagusiena elektroien spinetik dator. Elektroiek Pauliren baztertze-printzipioa betetzen dutenez, zeinaren arabera ezin baitira bi elektroi egon egoera kuantiko berean, elektroi lotuak elkarren artean parekatzen dira, bikote bakoitzeko kide batekin spin egoera batean gorantz eta bestea kontrako egoeran, espin batean beherantz. Horrela, spin horiek elkar deuseztatzen dute, elektroi kopuru bikoitia duten atomo batzuetan erabateko dipolar magnetikoa zerora murriztuz.

Burdina, kobaltoa eta nikela bezalako elementu ferromagnetikoetan, elektroi kopuru bakoiti batek aparkatu gabeko elektroi bat eta momentu magnetiko global garbi bat sortzen ditu. Inguruko atomoen orbitalak gainjarri egiten dira eta energia gutxiagoko egoera lortzen da, elektroi aparkatu gabeen spinak elkarren artean lerrokatzen direnean, truke-interakzio gisa ezagutzen den prozesu espontaneoa. Atomo ferromagnetikoen momentu magnetikoak lerrokatzen direnean, materialak eremu makroskopiko neurgarria sor dezake. Material paramagnetikoek momentu magnetikoak dituzten atomoak dituzte, eremu magnetikorik ez dagoenean ausazko norabideetan lerrokatzen direnak, baina atomo indibidualen momentu magnetikoak eremu baten aurrean lerrokatzen dira.

Atomo baten nukleoak ez du spinik izango neutroi eta protoi zenbaki bikoitiak dituenean, baina zenbaki bakoitien beste kasu batzuetan, nukleoak spina izan dezake. Normalean, spindun nukleoak ausazko norabideetan lerrokatzen dira oreka termikoaren ondorioz, baina zenbait elementuren kasuan (adibidez, xenon-129), spin nuklearreko egoeren proportzio esanguratsu bat polarizatu daiteke norabide berean lerrokatzeko, hiperpolarizazio izeneko baldintza bat. Horrek aplikazio garrantzitsuak ditu erresonantzia magnetiko bidezko irudiak lortzeko.

Energia-mailak 
Atomo batean elektroi baten energia potentziala negatiboa da nukleoarekiko distantzia infinitura iristen denean; elektroiaren posizioarekiko mendekotasuna nukleoaren barruko minimora iristen da, distantziaren alderantzizko proportzioan gutxi gorabehera. Eredu kuantiko-mekanikoan, elektroi lotu batek nukleoan zentratutako egoera-multzo bat baino ezin du hartu, eta egoera bakoitza energia-maila espezifiko bati dagokio; ikus Schrödingerren ekuazioa, denborarekiko independentea den azalpen teoriko baterako. Energia maila bat elektroia atomotik desligatzeko behar den energia kantitatearen arabera neur daiteke, eta elektronvolteko unitateetan (eV) ematen da. Elektroi lotu baten egoera energetiko baxuenari funtsezko egoera deitzen zaio, hau da, atsedenean duen egoera; aldiz, elektroia goragoko maila batera igarotzeak kitzikatutako egoera bat sortzen du. Elektroiaren energia n bidez handitzen da, nukleoarekiko distantzia (batez bestekoa) handitzen delako. ℓ neergiarekiko mendekotasuna ez dago nukleoaren potentzial elektrostatikoak eraginda, elektroien arteko elkarrekintzak baizik.

Elektroi bat bi egoera ezberdinen artean ibil dadin, adibidez, funtsezko egoeratik lehen egoera kitzikatura, fotoi bat xurgatu edo igorri behar dio maila horietako energia potentzialaren diferentziarekin bat datorren energia bati, Niels Bohren ereduaren arabera, eta hori zehaztasunez kalkula daiteke Schrödingeren ekuazioaren bidez. Elektroiek orbitalen artean salto egiten dute partikulen antzera. Adibidez, fotoi bakar batek elektroien gainean eragiten badu, elektroi batek bakarrik aldatzen du egoera fotoiari erantzunez.

Fotoi baten energia bere maiztasunarekiko proportzionala da, eta, beraz, energia-maila espezifiko horiek banda desberdin gisa agertzen dira espektro elektromagnetikoan. Elementu bakoitzak espektro bereizgarri bat du, karga nuklearraren, elektroiek hartutako orbitalen, elektroien arteko interakzio elektromagnetikoen eta beste faktore batzuen araberakoa izan daitekeena.

Energia-espektro jarraitu bat gas edo plasma batetik igarotzen denean, fotoi batzuk atomoek xurgatzen dituzte, elektroiek energia-maila alda dezaten. Beren atomoari lotuta dauden elektroi kitzikatuek energia hori fotoi gisa isurtzen dute berez, ausazko norabide batean bidaiatuz, eta, horrela, energia maila baxuagoetara itzultzen dira. Horrela, atomoek energia-irteeran xurgapen-banda ilun batzuk osatzen dituzten iragazki gisa jokatzen dute. (Atomoak hondoaren espektro jarraitua barne hartzen ez duen ikuspuntu batetik begiratzen dituen behatzaile batek atomoek igorritako fotoien emisio-lerro batzuk ikusiko ditu horien ordez). Espektro-lerro atomikoen intentsitatearen eta zabaleraren neurketa espektroskopikoek substantzia baten konposizioa eta propietate fisikoak zehaztea ahalbidetzen dute.

Espektro lerroen azterketa zehatz batek erakusten du batzuek egitura finaren bikoizketa erakusten dutela. Spin-orbita gainjartzeagatik gertatzen da hori, spinaren eta elektroi kanpokoenaren mugimenduaren arteko elkarreragina baita. Atomo bat kanpoko eremu magnetiko batean dagoenean, espektro lerroak hiru osagai edo gehiagotan banatzen dira, Zeeman efektua izeneko fenomenoa. Eremu magnetikoak atomoaren eta bere elektroien momentu magnetikoarekin duen elkarreraginaren ondorio da hori. Atomo batzuek energia maila bereko elektroi konfigurazio ugari izan ditzakete, espektro lerro bakar bat bezala agertzen direnak. Eremu magnetikoak atomoarekin duen elkarreraginak konfigurazio elektroniko horiek energia-maila apur bat desberdinetara lekualdatzen ditu, espektro-lerro ugari sortuz. Kanpoko eremu elektriko bat egoteak espektro-lerroen banaketa eta desplazamendu konparagarriak eragin ditzake elektroien energia-mailak aldatzean, Stark efektua izeneko fenomenoa.

Elektroi lotu bat kitzikatuta badago, energia egokiarekin elkar-eragiten duen fotoi batek energia maila baliokidea duen fotoi baten emisio estimulatua eragin dezake. Hori gertatzeko, elektroia energia egoera baxuagora erori behar da, elkar-eragiten duen fotoiaren energiaren adinako energia diferentzia duena. Jarraian, igorritako fotoia eta elkar-eragiten duen fotoia paraleloan desplazatzen dira, bat datozen faseekin. Hau da, bi fotoien uhin-patroiak sinkronizatuta daude. Propietate fisiko hori laserrak egiteko erabiltzen da, maiztasun-banda estu batean argi-energiaren sorta koherente bat jaulki dezaketenak.

Balentzia eta loturak 

Balentzia elementu baten konbinazio-ahalmena da. Beste atomo edo talde batzuekin osa dezakeen lotura kopuruaren araberakoa da. Atomo batek bere egoera ez-konbinatuan duen elektroi-geruzarik kanpokoenari balentzia-geruza esaten zaio, eta geruza horretako elektroiei balentzia-elektroiak esaten zaie. Balentzia-elektroi kopuruak beste atomo batzuekiko lotura-portaera zehazten du. Atomoek kimikoki erreakzionatzeko joera dute, kanpoko balentzia-geruzak betetzeko (edo husteko). Adibidez, atomoen arteko elektroi bakar baten transferentzia hurbilketa erabilgarria da elektroi bat baino gehiago duten atomoen eta bilgarri bete bat izateko elektroi bat falta zaien beste batzuen arteko loturetarako, sodio kloruro konposatuan eta beste gatz ioniko kimiko batzuetan gertatzen den bezala. Elementu askok balio desberdinak dituzte, edo konposatu desberdinetan elektroien zenbaki desberdinak partekatzeko joerak. Horrela, elementu horien arteko lotura kimikoak elektroiak trukatzeko modu asko hartzen ditu, elektroien transferentzia soilak baino gehiago direnak. Adibide batzuk karbono-elementua eta konposatu organikoak dira.

Elementu kimikoak propietate kimiko errepikariak erakusteko jartzen den taula periodiko batean agertzen dira askotan, eta balentzia-elektroi kopuru bera duten elementuek taularen zutabe berean lerrokatzen den talde bat osatzen dute. (Lerro horizontalak elektroien azal kuantiko bat betetzeari dagozkio). Taularen eskuineko muturrean dauden elementuek elektroiz beteta dute kanpoko geruza, eta, ondorioz, kimikoki bizigabeak diren elementuak sortzen dira, gas noble gisa ezagutzen direnak.

Egoerak 

Atomo kopuruak materiaren egoera desberdinetan daude, eta egoera horiek baldintza fisikoen araberakoak dira, hala nola tenperatura eta presioa. Baldintzak aldatuz gero, materialak solidoen, likidoen, gasen eta plasmen artean ibil daitezke. Egoera beraren barruan, material bat hainbat alotropotan ere egon daiteke. Adibide bat karbono solidoa da, grafito edo diamante gisa existitu daitekeena. Badaude, halaber, gas-alotropo batzuk, hala nola dioxigeno eta ozonoa.

Zero absolututik hurbil dauden tenperaturetan, atomoek Bose-Einsteinen kondentsatu bat osa dezakete, eta une horretan mekanika kuantikoaren efektuak, normalean eskala atomikoan soilik behatzen direnak, eskala makroskopikoan agertzen dira. Orduan, atomo superhoztuen multzo horrek super atomo bakar gisa jokatzen du, eta horrek portaera mekaniko kuantikoaren funtsezko egiaztapenak ahalbide ditzake.

Identifikazioa 

Atomoak ikusteko txikiegiak diren arren, tunel efektuko mikroskopioa (STM) bezalako gailuek solidoen gainazalean bistaratzeko aukera ematen dute. Mikroskopioak tunel-efektuaren fenomenoa erabiltzen du, partikulei ikuspegi klasikotik gaindiezina izango litzatekeen hesi bat zeharkatzea ahalbidetzen diena. Elektroiek bi elektrodo polarizaturen arteko hutsunea zeharkatzen dute, esponentzialki bereiztearen mende dagoen tunel korronte bat sortuz. Elektrodoetako bat punta zorrotz bat da, idealki atomo bakar batean amaitzen dena. Gainazalaren miaketaren puntu bakoitzean, puntaren altuera egokitu egiten da tunelaren korrontea balio jakin batean mantentzeko. Punta lurrazalerantz eta azaletik mugitzen den neurria altueraren profila dela interpretatzen da. Alborapen baxu baterako, mikroskopioak elektroien orbitalen irudiak lortzen ditu, estuki paketatutako energia-mailen bidez: egoera elektronikoen dentsitate-maila Fermiren mailatik gertu. Tartean dauden distantziak direla eta, bi elektrodoek oso egonkorrak izan behar dute; orduan bakarrik ikus daitezke atomo indibidualei dagozkien aldizkakotasunak. Metodoa, berez, ez da kimikoki espezifikoa, eta ezin ditu identifikatu gainazalean dauden espezie atomikoak.

Atomoak erraz identifika daitezke masaren arabera. Atomo bat ionizatzen bada bere elektroietako bat kenduz, eremu magnetiko batetik igarotzean bere ibilbidea okertu egingo da. Mugimenduan dagoen ioi baten ibilbidea eremu magnetikoak desbideratzen duen erradioa atomoaren masak zehazten du. Masen espektrometroak printzipio hori erabiltzen du ioien masa-karga erlazioa neurtzeko. Lagin batek hainbat isotopo baditu, masen espektrometroak isotopo bakoitzaren proportzioa zehaztu dezake laginean, ioi-sorten intentsitatea neurtuz. Atomoak lurruntzeko tekniken artean daude induktiboki akoplatutako plasma bidezko emisio atomikoaren espektroskopia eta induktiboki akoplatutako plasma bidezko masen espektrometria. Horiek plasma bat erabiltzen dute laginak lurruntzeko, analizatzeko.

Zunda atomikoaren tomografoak bereizmen subnanometrikoa du 3-Dn, eta atomo indibidualak identifikatu ditzake kimikoki, hegaldi-denboraren masen espektrometriaren bidez.

Elektroiak igortzeko teknikak, hala nola X izpien fotoelektroien espektroskopia (XPS) eta Auger elektroien espektroskopia (AES), nukleoko elektroien lotura-energiak neurtzen dituztenak, lagin batean modu ez-suntsitzailean dauden espezie atomikoak identifikatzeko erabiltzen dira. Ikuspegi egokiarekin, bi metodoak eremu bateko espezifikoak egin daitezke. Mota honetako beste metodo bat elektroien energia-galeraren espektroskopia da (EELS), transmisioko mikroskopio elektroniko baten barruan elektroi-sorta baten energia-galera neurtzen duena lagin baten zati batekin elkar-eragiten duenean.

Eszitatutako egoeren espektroak urruneko izarren konposizio atomikoa aztertzeko erabil daitezke. Izarren behatutako argian dauden uhin-luzera espezifikoak banandu egin daitezke eta gas-atomo libreetan kuantizatutako trantsizioekin erlazionatu. Kolore horiek elementu bera duen gasa deskargatzeko lanpara bat erabiliz erreproduzitu daitezke. Honela, helioa Eguzkiaren espektroan aurkitu zen Lurrean aurkitu baino 23 urte lehenago.

Jatorria eta gaur egungo egoera 
Materia barionikoa unibertso behagarriaren guztizko dentsitate energetikoaren % 4 inguru da, 0,25 partikula/m3-ko batez besteko dentsitatearekin (gehienak protoiak eta elektroiak). Esne Bidea bezalako galaxia baten barruan, partikulen kontzentrazioa askoz handiagoa da, izarrarteko ingurunean (ISM) materia-dentsitatea 105 eta 109 atomo/m3 artekoa baita. Uste da Eguzkia Burbuila Lokalaren barruan dagoela, eta, beraz, eguzki-inguruneko dentsitatea 103 atomo/m3 ingurukoa baino ez da. Izarrak ISMko hodei trinkoetatik abiatuta sortzen dira, eta izarren eboluzio-prozesuek ISMa etengabe aberasten dute hidrogenoa eta helioa baino elementu masiboagoekin.

Esne Bidearen materia barionikoaren % 95 izarren barruan kontzentratzen da, eta bertan baldintzak kaltegarriak dira materia atomikoarentzat. Masa barioniko osoa galaxiaren masaren % 10 inguru da; gainerako masa materia ilun ezezaguna da. Izarren barruko tenperatura altuaren ondorioz, "atomo" gehienak erabat ionizatuta daude, hau da, elektroi guztiak nukleoetatik bereizten ditu. Izar-hondarretan, azaleko geruzetan izan ezik, presio handi batek ezinezkoa egiten du elektroien bilgarriak sortzea.

Formazioa 

Uste da elektroiak Unibertsoan existitzen direla Big Bangaren lehen etapetatik. Nukleo atomikoak nukleosintesi-erreakzioetan sortzen dira. Unibertsoaren lehenengo hiru minututan, Big Bangeko nukleosintesiak Unibertsoko helio, litio eta deuterio gehiena sortu zuen, eta agian berilioaren eta boroaren zati bat.

Atomoen nonahikotasuna eta egonkortasuna lotura-energiaren mende daude, eta horrek esan nahi du atomo batek nukleoz eta elektroiz lotutako sistema batek baino energia txikiagoa duela. Tenperatura ionizazio-potentziala baino askoz handiagoa denean, materia plasma, positiboki kargatutako ioi-gas (beharbada, nukleo biluziak) eta elektroi moduan existitzen da. Tenperatura ionizazio-potentzialetik behera jaisten denean, atomoak estatistikoki aldeko bihurtzen dira. Atomoak (elektroi lotuekin) kargatutako partikulak menderatzera pasa ziren Big Banga baino 380.000 urte geroago, birkonbinazioa deritzon garai bat, hedatzen ari zen unibertsoa elektroiek nukleoekin bat egitea ahalbidetzeko adina hoztu zenean.

Big Bangetik, zeinek karbonorik eta elementu astunagorik sortu ez baitu, nukleo atomikoak konbinatu egin dira izarretan fusio nuklearreko prozesuaren bidez helio gehiago sortzeko eta (alfa hirukoitz prozesuaren bidez) karbonotik burdinarainoko elementuen sekuentzia sortzeko; ikus izar-nukleosintesia xehetasun gehiagorako.

Litio-6 bezalako isotopoak, berilioa eta boroa espalazio bidez sortzen dira espazioan izpi kosmikoen bidez. Hori gertatzen da energia handiko protoi batek nukleo atomiko baten aurka talka egiten duenean, nukleoi kopuru handi baten eiekzioa eraginez.

Burdina baino elementu astunagoak supernobetan eta neutroi-izarretan gertatu ziren, r prozesuaren bidez talka eginez, eta AGB izarretan, s prozesuaren bidez, eta horrek esan nahi du neutroiak nukleo atomikoen bidez harrapatu behar direla. Beruna bezalako elementuak, neurri handi batean, elementu astunagoen desintegrazio erradioaktiboaren ondorioz sortu ziren.

Lurreko atomoen jatorria 
Lurra osatzen duten atomo gehienak eta bertan dauden izaki bizidun guztienak Eguzki Sistema eratzeko hodei molekular batetik kolapsatu zen nebulosan zeuden gaur egun. Gainerakoa desintegrazio erradioaktiboaren emaitza da, eta bere proportzio erlatiboa datazio erradiometrikoaren bidez Lurraren adina zehazteko erabil daiteke. Lurrazaleko helio gehiena (gas-putzuetako helioaren % 99 inguru, helio-3 gutxiago duela frogatzen duen bezala) alfa desintegrazioaren emaitza da.

Lurrean badira hasieran agertzen ez ziren traza atomo batzuk (hau da, ez dira "funtsezkoak"), eta ez dira desintegrazio erradiaktiboaren ondorio. Karbono-14a etengabe sortzen dute izpi kosmikoek atmosferan. Lurraren atomo batzuk artifizialki sortu dira nahita edo erreaktore nuklearren edo leherketen azpiproduktu gisa. Elementu transuranikoetatik -92tik gorako zenbaki atomikoa dutenak- plutonioa eta neptunioa bakarrik daude modu naturalean Lurrean. Elementu transuranikoek Lurraren gaur egungo adina baino bizitza erradioaktibo laburragoak dituzte, eta, beraz, elementu horien kopuru identifikagarriak aspaldi jaitsi dira, hauts kosmikoak utzitako plutonio-244 hondakinak izan ezik. Plutonio eta neptuniozko mea naturalak uranio-mineralean neutroiak harrapatuz sortzen dira.

Lurrak 1,33 × 1050 atomo inguru ditu. Argona, neona eta helioa bezalako gas nobleen atomo independenteen kopuru txiki bat dagoen arren, atmosferaren % 99 molekula moduan lotuta dago, karbono dioxidoa eta oxigenoa eta nitrogeno diatomikoa kasu. Lurraren azalean, atomoen gehiengo handi bat konbinatzen da hainbat konposatu osatzeko, hala nola ura, gatza, silikatoak eta oxidoak. Atomoak molekula diskretuak ez diren materialak sortzeko ere konbina daitezke, hala nola kristalak eta metal likidoak edo solidoak. Materia atomiko honek materia molekularrari lotutako eskala txikian etendako ordena mota partikularrik ez duten sareko konponketak osatzen ditu.

Forma arraroak eta teorikoak

Elementu super-astunak 
Jakina da 82 (beruna) baino zenbaki atomiko handiagoak dituzten nukleido guztiak erradioaktiboak direla. 92 baino kopuru atomiko handiagoa duen nukleidorik (uranioa) ez da existitzen Lurrean funtsezko nukleo gisa, eta elementu astunenek batez besteko bizitza laburragoak izaten dituzte. Hala ere, baliteke "egonkortasun-uharte" bat egotea, 110 eta 114 arteko zenbaki atomikoak dituzten elementu superastunen isotopo luze samarrak hartzen dituena. Uharteko nukleido egonkorrenaren batez besteko bizitzari buruzko iragarpenak minutu eta milioika urte artekoak dira. Nolanahi ere, elementu super-astunak (Z > 104 dutenak) ez lirateke existituko, Coulomben gaitzespen gero eta handiagoaren ondorioz (fisio espontaneoa eragiten du, bizitza ertain gero eta laburragoekin), inolako efektu egonkortzailerik ez dagoelako.

Materia exotikoa 
Materia-partikula bakoitzari antimateria-partikula bat dagokio, kontrako karga elektrikoarekin. Positroia positiboki kargatutako antielektroia da, eta antiprotoia, berriz, negatiboki kargatutako protoiaren baliokidea. Materia-partikula bat eta antimateriari dagokiona aurkitzen direnean, elkar suntsitzen dute. Horregatik, materiaren partikula kopuruaren eta antimateriaren arteko desorekarekin batera, azken horiek urriak dira unibertsoan. Desoreka honen lehen kausak oraindik ez dira erabat ulertzen, nahiz eta bariogenesiaren teoriek azalpen bat eman lezaketen. Horregatik, naturan ez da aurkitu antimateria-atomorik. 1996an, hidrogeno atomoaren (antihidrogenoa) antimateria homologoa sintetizatu zen Genevako CERN laborategian.

Beste atomo exotiko batzuk sortu dira, protoi, neutroi edo elektroietako baten ordez karga bera duten beste partikula batzuk jarriz. Adibidez, elektroi bat muoi masiboago batekin ordezka daiteke, atomo muoniko bat eratuz. Atomo mota hauek fisikaren oinarrizko iragarpenak probatzeko erabil daitezke.

Oharrak

Erreferentziak

Ikus, gainera 
 Elementu kimiko
 Molekula
 Teoria atomiko

Kanpo estekak 

Atomoa
Kimika
Partikulen fisika