stanford-oval/wikipedia huggingface dataset:
Nguyên tử
Các thành phần > Hạt hạ nguyên tử

Bài chi tiết: Hạt hạ nguyên tử
Mặc dù từ nguyên tử có nguồn gốc chỉ những hạt không thể phân chia nhỏ hơn nữa, nhưng như ngày nay đã biết nguyên tử là thuật ngữ khoa học tổ hợp của nhiều hạt hạ nguyên tử. Các hạt thành phần của nguyên tử là electron, proton và neutron. Ngoại trừ nguyên tử hydro-1 không có neutron và ion hydro không có electron (hay chính là hạt proton đơn lẻ).
Electron là hạt nhẹ nhất trong ba hạt với khối lượng 9,109×10−31 kg, và điện tích âm -e, kích thước của nó rất nhỏ và hiện nay chưa có công nghệ nào đo được đường kính của nó. Proton có điện tích dương +e và khối lượng gấp 1.836 khối lượng electron, và bằng 1,673×10−27 kg, mặc dù giá trị này có thể giảm đi do bù trừ vào năng lượng liên kết của proton trong hạt nhân. Neutron là hạt trung hòa điện và khối lượng khi nó đứng riêng lẻ là 1.839 lần khối lượng electron, hay 1,675×10−27 kg. Các nhà vật lý đo được đường kính của neutron và proton—vào cỡ 25×10−15 m—mặc dù 'bề mặt' của những hạt này không xác định rõ ràng.
Trong Mô hình chuẩn, electron là hạt cơ bản thực sự vì nó không có hạt thành phần. Tuy nhiên, cả proton và neutron là những hạt tổ hợp của những hạt cơ bản gọi là quark. Có hai loại quark trong các proton và neutron, mỗi hạt quark mang điện tích phân số. Proton là hạt tổ hợp của 2 quark lên (mỗi hạt có điện tích +2⁄3e) và một quark xuống (với điện tích −1⁄3e). Neutron chứa một quark lên và hai quark xưống. Sự khác biệt trong thành phần khiến cho khối lượng và điện tích của hai hạt proton và neutron có sự khác nhau.
Các quark liên kết với nhau bởi tương tác mạnh (hay lực mạnh) thông qua trao đổi các gluon. Đến lượt các hạt proton và neutron liên kết với nhau trong hạt nhân bởi lực hạt nhân, mà lực này về bản chất là do tương tác mạnh 'rò rỉ' ra ngoài với phạm vi ngắn (xem bài về lực hạt nhân). Hạt gluon là thành viên của họ hạt boson gauge, là hạt trung gian trao đổi tương tác mạnh.
Các thành phần > Đám mây electron

Bài chi tiết: Orbital nguyên tử và Cấu hình electron
Các electron trong một nguyên tử bị hút bởi các proton ở hạt nhân bằng lực điện từ. Lực này giam các electron bên trong một giếng thế tĩnh điện bao quanh hạt nhân, tức là cần phải có nguồn năng lượng từ bên ngoài để cho electron thoát ra khỏi hạt nhân. Electron càng nằm gần về phía hạt nhân, lực hút càng mạnh hơn. Do đó electron liên kết gần tâm của giếng thế đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để thoát ra ngoài.
Electron, giống như những hạt vi mô khác, có cả tính chất sóng và hạt. Đám mây electron là một vùng bên trong giếng thế nơi mỗi electron tạo thành một kiểu sóng đứng ba chiều – dạng sóng không di chuyển so với hạt nhân. Hành xử này tạo nên orbital nguyên tử, một hàm toán học đặc trưng cho xác suất một electron xuất hiện tại một điểm cụ thể khi đo vị trí của electron. Chỉ có tập rời rạc bị lượng tử hóa những orbital tồn tại xung quanh hạt nhân, hoặc nếu có những dạng sóng khác thì nó sẽ nhanh chóng phân hủy thành dạng sóng đứng lượng tử ổn định hơn. Các orbital có thể có cấu trúc nhiều hơn một vòng hoặc nút, và chúng khác nhau về kích thước, hình dạng và hướng.
Mỗi orbital tương ứng với một mức năng lượng cụ thể của electron. Electron có thể thay đổi trạng thái của nó đến mức năng lượng cao hơn bằng hấp thụ một photon với năng lượng phù hợp để đẩy điện tử lên trạng thái năng lượng mới. Tương tự như vậy, thông qua phát xạ tự phát, một electron ở trạng thái năng lượng cao hơn có thể trở về mức năng lượng thấp bằng phát ra một photon. Những giá trị năng lượng đặc trưng này, xác định bởi hiệu giữa các mức năng lượng của từng trạng thái lượng tử, thể hiện cho dãy vạch phổ đặc trưng của từng nguyên tử.
Lượng năng lượng cần để lấy đi hoặc thêm một electron vào – năng lượng liên kết electron – nhỏ hơn nhiều so với năng lượng liên kết các nucleon trong hạt nhân. Ví dụ, chỉ cần 13,6 eV để tách electron ở trạng thái năng lượng nền (trạng thái năng lượng thấp nhất) ra khỏi nguyên tử hydro, so với 2,23 triệu eV để tách một hạt nhân deuteri. Các nguyên tử trung hòa điện nếu chúng có số electron bằng số proton. Nguyên tử thiếu hoặc dư thừa electron gọi là ion. Những electron nằm xa hạt nhân nhất có thể bị bắt sang nguyên tử bên cạnh hoặc thuộc về cả hai nguyên tử. Theo cơ chế này, các nguyên tử có thể liên kết với nhau thành các phân tử hoặc những hợp chất hóa học khác như mạng lưới tinh thể ion hoặc liên kết cộng hóa trị.
Tính chất > Khối lượng

Bài chi tiết: Nguyên tử lượng và Số khối
Phần lớn khối lượng của nguyên tử là do đóng góp của proton và neutron trong hạt nhân của nó. Tổng những hạt này (gọi là "nucleon") trong một nguyên tử gọi là số khối. Số khối đơn giản chỉ là một số tự nhiên, có đơn vị là "nucleon." Ví dụ sử dụng số khối là "cacbon-12," có 12 nucleon (6 proton và 6 neutron).
Khối lượng thực của nguyên tử khi nó đứng yên (khối lượng bất biến, khối lượng nghỉ) thường được biểu diễn bằng đơn vị khối lượng nguyên tử (u), hay đôi khi gọi là một dalton (Da). Đơn vị này được xác định bằng một phần mười hai khối lượng nghỉ của nguyên tử tự do trung hòa điện cacbon-12, với khối lượng xấp xỉ 166×10−27 kg. hydro-1, đồng vị nhẹ nhất của hydro và là nguyên tử nhẹ nhất, có khối lượng nghỉ bằng 1,007825 u. Giá trị của số này gọi là nguyên tử lượng. Một nguyên tử có nguyên tử lượng xấp xỉ bằng (sai số 1%) số khối của nó nhân với đơn vị khối lượng nguyên tử. Tuy nhiên, giá trị này sẽ không bằng chính xác số khối trừ trường hợp của cacbon-12 (xem bên dưới) Nguyên tử bền nặng nhất là chì-208, có khối lượng là 2079766521 u.
Ngay cả đối với các nguyên tử nặng nhất cũng quá nhẹ để có thể nghiên cứu trực tiếp và đơn vị khối lượng khá rườm rà, thay vào đó các nhà hóa học sử dụng đơn vị Mol. Một mol nguyên tử của bất kỳ một nguyên tố hóa học luôn có cùng số lượng nguyên tử (bằng khoảng 6022×1023). Số này được chọn sao cho nếu một nguyên tố có nguyên tử lượng là 1 u, thì 1 mol nguyên tử nguyên tố này có khối lượng xấp xỉ 1 gram. Do định nghĩa của đơn vị khối lượng nguyên tử, mỗi nguyên tử cacbon-12 có nguyên tử khối chính xác bằng 12 u, do vậy 1 mol nguyên tử cacbon-12 có khối lượng chính xác bằng 0,012 kg.
Tính chất > Hình dạng và kích thước

Bài chi tiết: Bán kính nguyên tử
Nguyên tử không có bề mặt định rõ, do vậy kích thước của nó thường được xác định hình thức bằng thuật ngữ bán kính nguyên tử. Đại lượng này đo khoảng cách mở rộng đám mây electron tính từ hạt nhân. Tuy nhiên, cách giả sử này không chỉ đúng cho nguyên tử có dạng hình cầu, mà còn đúng cho nguyên tử cô lập trong chân không. Bán kính nguyên tử có thể suy ra từ khoảng cách giữa hai hạt nhân khi hai nguyên tử kết hợp lại theo liên kết hóa học. Bán kính thay đổi phụ thuộc vị trí của nguyên tử trên bảng tuần hoàn, loại liên kết hóa học, số nguyên tử hay ion lân cận với nó (số tọa độ) và tính chất cơ học lượng tử của nó spin. Trên bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học, theo tính toán lý thuyết, kích thước nguyên tử có xu hướng tăng lên khi đi theo cột từ trên xuống, nhưng giảm khi đi theo hàng từ trái sang phải và dữ liệu thực nghiệm đo được khá phù hợp với xu hướng này. Hệ quả là nguyên tử có bán kính nhỏ nhất là 32 pm, trong khi nguyên tử lớn nhất là caesi với bán kính 225 pm.
Khi chịu tác động của trường ngoài, như điện trường và từ trường, hình dạng của nguyên tử có thể bị bẻ lệch khỏi hình cầu. Sự lệch này phụ thuộc vào cường độ của trường và kiểu orbital của lớp vỏ electron ngoài cùng, như được chỉ ra bởi lý thuyết nhóm. Hình cầu biến dạng có thể xuất hiện trong cấu trúc tinh thể ở đây khi chịu điện trường mẫu tinh thể có xuất hiện những đối xứng bậc thấp trong dàn tinh thể. Gần đây các nhà tinh thể học chỉ ra sự biến dạng lớn thành ellipsoid xuất hiện ở ion lưu huỳnh trong tinh thể pyrit.
Nguyên tử có kích thước nhỏ hơn hàng nghìn lần bước sóng ánh sáng khả kiến (400–700 nm) do vậy chúng ta không thể quan sát nguyên tử bằng kính hiển vi quang học. Tuy nhiên, có thể quan sát từng nguyên tử bằng thiết bị kính hiển vi quét xuyên hầm. Để hình dung kích thước rất nhỏ của nguyên tử, đường kính của tóc người bình thường bằng khoảng 1 triệu lần đường kính nguyên tử cacbon. Một giọt nước chứa khoảng (2×1021) nguyên tử oxy, và gấp hai lần số nguyên tử hydro. Một cara kim cương với khối lượng 2×10−4 kg chứa khoảng (1022) nguyên tử cacbon. Nếu một quả táo phóng to bằng đường kính Trái Đất, thì một nguyên tử trong quả táo có đường kính xấp xỉ kích cỡ quả táo ban đầu.
Tính chất > Phân rã phóng xạ

Bài chi tiết: Phóng xạ
Mỗi nguyên tố có một hay nhiều đồng vị mà hạt nhân không bền sẽ tiến tới phân rã phóng xạ, và hạt nhân phát ra hạt nhân khác hoặc bức xạ điện từ. Hiện tượng phóng xạ xảy ra khi bán kính của hạt nhân đủ lớn so với bán kính ảnh hưởng của tương tác mạnh, với phạm vi tác động khoảng 1 fm.
Những phản ứng phân rã phóng xạ hay gặp nhất là:
Phân rã alpha là phản ứng trong đó hạt nhân phát ra hạt alpha, hạt nhân của heli chứa hai proton và hai neutron. Hạt sản phẩm là những nguyên tố mới với số nguyên tử thấp hơn.
Phân rã beta (và bắt giữ electron) bị kiểm soát bởi tương tác yếu, và kết quả là một neutron biến đổi thành một proton, hoặc một proton thành một neutron. Kiểu đầu tiên đi kèm với sự phát ra một electron và một phản neutrino electron, trong khi kiểu thứ hai phát ra một positron và một neutrino electron. Hạt electron hoặc positron phát ra vì lý do lịch sử mà các nhà vật lý gọi là những hạt beta. Phân rã beta làm tăng hoặc giảm số nguyên tử của hạt nhân 1 đơn vị. Một phản ứng tương tự với phân ra beta của hạt positron trong hạt nhân giàu proton đó là phản ứng bắt electron của hạt nhân, quá trình này thậm chí còn phổ biến hơn phản ứng phát ra positron do nó đòi hỏi ít năng lượng hơn. Trong phản ứng này electron bị hấp thụ bởi hạt nhân hơn là phát positron. Một hạt neutrino vẫn phát ra trong phản ứng và một proton biến thành một neutron.
Phóng xạ tia gamma làm thay đổi mức năng lượng của hạt nhân về trạng thái năng lượng thấp hơn, kết quả là phát ra photon gamma. Phản ứng này có thể xuất hiện sau phân rã alpha hoặc beta từ phân rã phóng xạ.
Một loại phân rã hiếm nữa là sản phẩm phân rã bao gồm những neutron hoặc proton hoặc đám nucleon từ một hạt nhân, hoặc có nhiều hơn một hạt beta bị bắn ra, hoặc sản phẩm (thông qua biến đổi nội bộ hạt nhân gốc) là những electron năng lượng cao mà không phải là chùm tia beta, hay những photon năng lượng cao không phải là tia gamma. Một vài hạt nhân nổ thành hai hoặc nhiều hạt nhân không cố định đi kèm với một số neutron, trong phân rã tự phát của phản ứng phân hạch hạt nhân.
Mỗi đồng vị phóng xạ có chu kỳ phân rã đặc trưng — hay nửa thời gian sống — xác định bởi lượng thời gian cần thiết cho một nửa mẫu hạt phân rã. Đây là tiến trình phân rã hàm mũ và giảm dần lượng đồng vị còn lại một nửa sau mỗi chu kỳ phân rã. Do đó sau chu kỳ phân rã thứ hai số hạt đồng vị còn lại chỉ là 25% so với ban đầu, và cứ như thế.
Tính chất > Mômen từ

Các hạt cơ bản có một tính chất cơ học lượng tử nội tại gọi là spin. Tính chất này tương tự như động lượng góc của một vật quay quanh khối tâm của nó, mặc dù nói một cách sơ lược những hạt cơ bản được cho là những hạt điểm và không thể hiện tính tự quay quanh trục nào cả. Spin lượng tử hay mômen từ nội tại có đơn vị đo bằng hằng số Planck thu gọn (ħ), với electron, proton và neutron chúng chỉ có hai giá trị spin ½ ħ, hoặc "spin -½". Trong nguyên tử, các electron bao quanh hạt nhân có mômen động lượng orbital cùng với đặc tính spin, trong khi hạt nhân có mômen động lượng chính nó do spin của hạt nhân.
Từ trường sinh ra bởi nguyên tử—mômen từ— được xác định bởi nhiều giá trị mô men động lượng, giống như một vật tích điện chuyển động trong điện từ học cổ điển sinh ra từ trường. Tuy nhiên, đóng góp chủ yếu đến từ spin. Do bản chất các electron tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, hai electron không thể có cùng một trạng thái lượng tử trong một vùng ở cùng thời gian (không có cùng 4 số lượng tử) và quy tắc Hund về quy trình phân bố electron trong orbital. Các electron liên kết tạo cặp với nhau trong orbital, với một electron có trạng thái spin lên và electron kia có trạng thái spin xuống. Do vậy trong một cặp, spin lượng tử bị triệt tiêu, dẫn đến tổng mômen lưỡng cực từ bằng 0 trong một số nguyên tử có số chẵn electron với mỗi orbital đã lấp đầy bởi những cặp electron.
Trong các nguyên tố sắt từ như sắt, niken, chúng có một số electron chưa bắt cặp trong orbital và vì vậy có mômen từ nguyên tử. orbital của các nguyên tử lân cận phủ lên nhau và xuất hiện một trạng thái năng lượng thấp hơn khi spin của các electron chưa bắt cặp đồng loạt hướng theo nhau, một quá trình gọi là tương tác trao đổi. Khi mômen từ của các nguyên tử sắt từ sắp hàng, vật liệu sẽ sinh ra một từ trường vĩ mô đo được. Nguyên tử của vật liệu thuận từ có mômen từ sắp xếp ngẫu nhiên không theo một hướng, nhưng khi có từ trường ngoài thì các mômen từ hưởng ứng theo hướng của từ trường ngoài và có một từ trường vĩ mô nhỏ ở vật liệu thuận từ.
Hạt nhân nguyên tử cũng có spin. Thông thường các hạt nhân có spin định hướng theo những hướng ngẫu nhiên trong cân bằng nhiệt động. Tuy nhiên, đối với một số nguyên tố (như xenon-129) hạt nhân của nó có thể bị phân cực spin theo số lượng lớn của trạng thái spin hạt nhân do vậy chúng có thể sắp hàng theo một hướng— hay hiện tượng siêu phân cực. Spin hạt nhân có một ứng dụng quan trọng trong y học đó là chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân.
Tính chất > Hóa trị và liên kết hóa học

Bài chi tiết: Hóa trị và Liên kết hóa học
Lớp vỏ electron ngoài cùng của nguyên tử cô lập trong trạng thái chưa kết hợp gọi là vỏ hóa trị, và các electron trong lớp vỏ này gọi là electron hóa trị. Số các electron hóa trị xác định lên tính chất liên kết hóa học giữa các nguyên tử với nhau. Nguyên tử có xu hướng phản ứng với nhau theo cách lấp đầy (hoặc làm trống) các vỏ hóa trị ngoài cùng của chúng. Ví dụ, sự truyền đổi một electron giữa các nguyên tử là một cách xấp xỉ tốt cho liên kết hình thành giữa một nguyên tử cần thêm một electron là đầy lớp vỏ hóa trị với một nguyên tử khi bớt một electron nó sẽ đầy lớp vỏ, cách liên kết này xuất hiện trong hợp chất natri chloride và những muối ion khác. Tuy nhiên, nhiều nguyên tố có nhiều số hóa trị, và có xu hướng chia sẻ nhiều electron khác nhau trong những hợp chất khác nhau. Như thế, các liên kết hóa học giữa những nguyên tố hình thành theo kiểu chia sẻ nhiều electron hơn là chỉ truyền đổi một electron. Ví dụ này bao gồm nguyên tố cacbon và các hợp chất hữu cơ.
Tính chất hóa học của các nguyên tố thể hiện tính tuần hoàn khi sắp xếp trên bảng tuần hoàn, và các nguyên tố với cùng số electron hóa trị tạo thành một nhóm trong cùng một cột của bảng. (Hàng ngang tương ứng với sự lấp đầy lớp vỏ electron.) Các nguyên tố ở phía ngoài cùng bên phải của bảng có lớp vỏ hóa trị đã được lấp đầy electron, khiến cho những nguyên tố này rất thụ động trong các phản ứng hóa học, hay còn gọi là khí hiếm.
Tính chất > Trạng thái

Bài chi tiết: Trạng thái vật chất và Pha vật chất
Các nguyên tử tham gia cấu thành lên những trạng thái vật chất khác nhau phụ thuộc vào những điều kiện vật lý, như mật độ, nhiệt độ và áp suất. Khi những điều kiện này thay đổi đến điều kiện giới hạn, xảy ra sự chuyển pha vật chất giữa các pha rắn, lỏng, khí và plasma.
 Trong một trạng thái, vật liệu cũng thể hiện những dạng thù hình khác nhau. Ví dụ như đối với cacbon rắn, nó có thể hiện như graphen, graphit hay kim cương. Dạng thù hình trong chất khí cũng tồn tại, như dioxy và ozone.
Quan sát và thăm dò

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

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

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

Hầu hết các nguyên tử cấu tạo nên Trái Đất và những thứ tồn tại trên nó đã có mặt trong những tinh vân suy sụp hấp dẫn từ đám mây phân tử để hình thành lên Hệ Mặt Trời. Một số hạt nhân còn lại là sản phẩm của quá trình phân rã, và khi đo được tỷ lệ có mặt của chúng các nhà khoa học có thể xác định được tuổi của Trái Đất thông qua định tuổi bằng đồng vị phóng xạ. Hầu hết heli trong lớp vỏ Trái Đất (khoảng 99% khí heli xuất hiện trong các giếng khai thác khí đốt, và một lượng nhỏ heli-3) là sản phẩm của phản ứng phân rã alpha.
Một vài dấu vết của một số đồng vị nguyên tử trên Trái Đất không có mặt lúc hình thành hệ Mặt Trời (hay không phải là "nguyên thủy"), hay là sản phẩm của quá trình phân rã. Cacbon-14 liên tục được sinh ra từ tia vũ trụ trong khí quyển. Một số nguyên tử trên Trái Đất sinh ra từ các máy gia tốc hay trong lò phản ứng hạt nhân hoặc các vụ thử nghiệm vũ khí nguyên tử. Trong các nguyên tố siêu urani—với số nguyên tử lớn hơn 92—chỉ có plutoni và neptuni xuất hiện trong tự nhiên trên Trái Đất. Các nguyên tố siêu urani có chu kỳ phân rã phóng xạ ngắn hơn tuổi của Trái Đất  và do vậy nếu chúng hình thành nguyên thủy thì cũng đã bị phân rã từ lâu, ngoại trừ có một ít plutoni-244 xuất hiện trong bụi vũ trụ. Nguyên tố plutoni và neptuni có trong tự nhiên chủ yếu là sản phẩm của urani bắt neutron và thường thấy ở các quặng urani.
Trái Đất chứa xấp xỉ 133×1050 nguyên tử. Mặc dù có dạng nguyên tử tồn tại độc lập như các khí hiếm tồn tại ít, như argon, neon, và heli, 99% khí quyển chứa chủ yếu các nguyên tử dạng kết hợp như phân tử, bao gồm cacbon dioxide CO2 và phân tử hai nguyên tử như oxy O2 và nitơ N2. Tại bề mặt Trái Đất, lượng khổng lồ các nguyên tử kết hợp theo nhiều dạng, bao gồm nước H2O, muối, silicat và các oxide. Nguyên tử cũng kết hợp lại thành vật liệu không chứa phân tử rời rạc, bao gồm tinh thể và chất lỏng hoặc kim loại rắn. Dạng vật chất nguyên tử này tạo nên mạng lưới được sắp xếp thiếu đi kiểu trật tự gián đoạn loại đặc biệt quy mô nhỏ thường gặp ở dạng vật chất phân tử.
Nguồn gốc và trạng thái hiện tại > Các dạng hiếm và trên lý thuyết > Nguyên tố siêu nặng

Bài chi tiết: Nguyên tố siêu urani
Các đồng vị với số nguyên tử lớn hơn của chì (82) có tính phóng xạ, các nhà vật lý đã đề xuất về sự tồn tại của "đảo bền" cho những nguyên tố có số nguyên tử lớn hơn 103. Những nguyên tố siêu nặng này có hạt nhân tương đối ổn định trong quá trình phân rã. Ứng cử viên cho nguyên tử siêu nặng ổn định đó là unbihexium, có 126 proton và 184 neutron.
Nguồn gốc và trạng thái hiện tại > Các dạng hiếm và trên lý thuyết > Vật chất ngoại lai

Bài chi tiết: Vật chất ngoại lai
Mỗi hạt vật chất đều có dạng tương ứng trên lý thuyết đó là hạt phản vật chất với điện tích trái dấu. Hay hạt positron điện tích dương là phản hạt của electron và phản proton điện tích âm là phản hạt của proton. Khi vật chất và phản vật chất tương ứng gặp nhau chúng lập tức bị hủy thành các tia gamma. Bởi vì lý do này, cùng với sự mất cân bằng giữa lượng vật chất và phản vật chất trong vũ trụ, phản vật chất rất hiếm thấy trong vũ trụ. (Mặc dù nguyên nhân của sự mất cân bằng trên quy mô Vũ trụ chưa được hiểu đầy đủ, một số lý thuyết đã đề xuất ra về sự vi phạm đối xứng CPT trong thời điểm của Vụ nổ lớn.) Và hiện nay chưa có nguyên tử phản vật chất nào tìm thấy tồn tại trong tự nhiên. Trong phòng thí nghiệm, năm 1996, trung tâm nghiên cứu hạt hạ nguyên tử CERN ở Genève đã lần đầu tiên tạo ra được phản hydro.
Các nhà vật lý cũng tạo ra được những nguyên tử ngoại lai khác bằng cách thay hạt proton, neutron hay electron bằng hạt khác có cùng điện tích. Ví dụ, trong nguyên tử hydro hạt electron được thay thế bằng lepton nặng hơn là muon, tạo ra nguyên tử muonic. Nguyên tử lạ là một trong những mẫu để các nhà vật lý kiểm chứng các tiên đoán cơ bản của vật lý.