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原子是元素能保持其 化 学性质的最小单位。一个正原子包含有一个緻密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子。而负原子的原子核带负电，周围的负电子带「正电」。正原子的原子核由带正电的质子和电中性的中子组 成 。负 原子原子 核中的反质子带负电，从而使负原子的原子核带负 电 。当质 子 数与 电子 数相同时，这个原子就是电中性的；否则，就是带有正电荷或者负 电 荷的离子。根据质子和中子数量的不同，原子的类型也不同：质子数决定了该原子属于哪一种元素，而中子数则确定了该原 子 是此元素的哪一个同位素。
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 原子的 英文名（Atom ）是 从希腊语ἄτομος（atomos，“不可切分 的 ”）转化而来 。 很早以前，希腊和印度 的 哲学家就提出了 原子 的不 可 切 分的 概念。 17和18世纪 时 ，化学家发现了物理学 的 根 据： 对于某些物质 ， 不 能 通过 化学 手段将其继续 的 分解 。 19世纪晚期和20世纪早期，物理学家发现了亚 原子 粒 子 以 及原子的 内部结构 ，由 此证明 原子 并不 是 不能进一步切分 。 量子 力学 原 理能够为 原子 提供很好 的 模型。 [2][3]
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{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="2" style="float:right; margin-left:1em; width:300px;"
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! style="background:gray;"| 氦原子
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| style="text-align:center;"| [[atom QM.svg|300px|right|[[氦]]原子基态]]
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| style="text-align:center;"| <small>氦原子结构示意图。图中灰阶显示对应[[电子]][[电子云|云]]于1s[[ 原子 轨域]]之[[机率密度函数]] 的 积分强度。而[[原子核]]仅为示意，[[质子]]以粉红色、[[中子]]以紫色表示。事实上，原子核（与其中之[[核子]]的[[波函数]] ） 也 是 球型对称 的。 （对于更複杂 的原子 核则非如此）</small>
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! style="background:gray;"| 分类
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| [[元素|化学元素]] 可分 割 的 最小单元
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| [[质量]]：|| ≈ 1.67 × 10<sup>-27</sup>至4.52 × 10<sup>-25</sup> kg
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| [[电荷|电荷]]：|| 0（当原子的电子数与质子数相等 时 ）
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| [[直径]]：（|元素 的 原子半径(数据页)|Atomic radii of the elements (data page)|数 据 页）
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| 50 [[皮米|pm]]（H）至520 pm（Cs）
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| [[可观测宇宙]]中的原子总数 ： || ~10<sup>80</sup> <ref>Matthew Champion, [http://www.madsci.org/posts/archives/oct98/905633072. As.r.html "Re: How many atoms make up the universe?"]{{dead link|date=2017年12月 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}, 1998</ref>
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'''原子'''('''英語: atom''') ， 是[[元素]] 能 保持其 化学 性质 的 最小单位 。 一个正 原子 包含有一个緻密的[[原 子 核]] 及 若干围绕在 原子 核周围带负电 的[[电子]]。而负原子的原子核带负电 ， 周围的[[负电子]]带「正电」。正原子的原子核 由 带正电的[[质子]]和电中性的[[中子]]组成。负原子原子核中的[[反质子]]带负电，从而使负原子的原子核带负电。当质子数与电子数相同时，这个 原子 就是电中性的；否则，就 是 带有正电荷或者负电荷的[[离子]] 。 根据质子和中子数 量 的不同，原子的类型也不同：质 子 数决定了该 原 子属于哪一种元素，而中子数则确定了该 原子 是此元素 的 哪一个[[ 同位素]] 。
  
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{{与日常体验相比， 原子是 一个极小 的 物体，其质量也 很 微小 ， 以至于只能通过一些特殊的仪器才能观测到单个 的原子， 例如扫描式穿隧电子显微镜。原子的99.9% 的 重量集中在原子核 ，[4] 其 中 的亚原子 和中 子 有著相近 的 质量 。 每一种元素至少有一种不稳定 的 同位素，可以进行放射性衰变 。 这直接导致核转化 ， 即亚 原子 核中 的 中子数或 质 子数发生变化。 [5]原子佔据 一 组稳定 的能 级 ， 或者称为轨 道。 当它们吸收和放出​​中 子的 时候， 中子 也可以在不 同 能级之间跳跃，此时吸收或放出原 子 的能量与能级之间的能量差相等。 电子 决定了 一个 元素的化学属性 ， 并且对中 子的 磁性有著很大 的 影响 。}}
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原子 的英文名（Atom） 是 从[[希腊语]]ἄτομος（atomos，“不可切分 的 ”）转化而来。 很 早以前 ，[[希腊]]和[[印度]] 的[[哲学家]]就提出了 原子 的不可切分的概念。 17和18世纪时 ，[[化学家]]发现了物理学 的 根据：对于某些物质 ， 不能通过化学手段将 其 继续 的 分解。 19世纪晚期和20世纪早期，[[物理学家]]发现了[[次原子粒子| 亚原子 粒子]]以及原 子的 内部结构，由此证明原子并不是不能进一步切分 。 [[量子力学]]原理能够为原子提供很好 的[[科学模型|模型]] 。 <ref>{{cite web
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|first=Hans |last=Haubold |coauthors=Mathai, AM |year=1998|url=http://www.columbia.edu/~ah297/unesa/universe/universe-chapter3.html |title=Microcosmos: From Leucippus to Yukawa |work=Structure of the Universe |publisher=Common Sense Science |accessdate=2008-01-17}}{{Dead link|date=July 2015}}</ref><ref>Harrison (2003:123–139 ).</ref>
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与日常体验相比 ，原子 是一个极小 的 物体，其 质 量也很微小，以至于只能通过 一 些特殊 的 仪器才 能 观测到单个的原子 ， 例如[[扫描隧 道 显微镜|扫描式穿隧电子显微镜]] 。 原 子 的99.9% 的 重量集 中 在原 子 核，<ref>大部分 同 位素中核 子 比 电子 多。以氢-1为例，只有 一个 电子和核子 ， 则质 子 重量是总质量 的<math>\begin{smallmatrix}\frac{1836}{1837} \approx 0.9995\end{smallmatrix}</math>或99.95 %</ref>其中 的 亚原子和中子有著相近的质量 。 每一种元素至少有一种不稳定的同位素，可以进行[[放射性]][[放射性衰变|衰变]]。这直接导致核转化，即亚原子核中的中子数或质子数发生变化。 <ref>{{cite web |author=Staff |date=2007-08-01|url=http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/nuclearstability.html |title=Radioactive Decays |publisher= Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University |accessdate=2007-01-02}}</ref>原子佔据一组稳定的[[能级]]，或者称为[[原子轨道|轨道]]。当它们吸收和放出​​中子的时候，中子也可以在不同能级之间跳跃，此时吸收或放出原子的能量与能级之间的能量差相等。电子决定了一个元素的化学属性，并且对中子的[[磁|磁性]]有著很大的影响。
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== 历史 ==
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大约在两千五百年前，[[希腊]]哲学家对物质的组成问题争论不休。'''原子'''派认为物质在被无数次地分割之后，最终会小到无法分割。原子（atom）一词源自希腊语，意思是‘不可分割’。在1803年到1807年之间，英国化学家[[道耳顿]]发展了这些观点并将它用在它的原子学说中。他相信原子既不能被创造也不能被消灭。任何一个[[元素]]里所含的原子都是一样的。
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关于[[物质]]是由[[离散量|离散]]单元组成且能够被任意的分割的概念流传了几[[千年]]，但这些想法只是基于抽象的、哲学的推理，而非[[实验]]和实证观察。随着[[时间]]的推移以及文化及学派的转变，哲学上原子的性质也有着很大的改变而这种改变往往还带有一些精神因素。尽管如此，对于原子的基本概念在数千年后仍然被化学家们采用，因为它能够很简洁地阐述一些化学界的新发现。<ref name=Ponomarev>Ponomarev (1993:14–15).</ref>
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===原子论===
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[[原子论]]（英语：Atomism，来自[[古希腊]]语ἄτομον，atomos，含义为“不可分割”<ref>{{cite web|title=atom|url=http://www.etymonline.com/index.php?term=atom&allowed_in_frame=0|publisher=[[Online Etymology Dictionary]]}}</ref>）是在一些古代传统中发展出的一种自然哲学。原子论者将自然世界理论化为由两基本部分所构成：不可分割的原子和空无的虚空（void）。
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依据[[亚里士多德]]引述，原子是不可构造的和永恒不变的，并且形状和大小有无穷的变化。它们在空无（empty）中移动，相互碰离，有时变成与一个或多个其他原子相钩结而形成聚簇（cluster）。不同形状、排列和位置的聚簇引起世界上各种宏观物质（substance）。
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对原子概念的记述可以上溯到[[古印度]]和古[[希腊]]。有人将印度的耆那教的原子论认定为开创者大雄在[[公元前]]6世纪提出，并将与其同时代的彼浮陀伽旃延和顺世派先驱阿夷陀翅舍钦婆罗的元素思想也称为原子论。正理派和胜论派后来发展出了原子如何组合成更复杂物体的理论。在西方，对原子的记述出现在公元前5世纪[[留基伯]]和[[德谟克利特]]的著作中。对于印度文化影响[[希腊]]还是反之，亦或二者独立[[演化]]是存在争议的。
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===科学理论===
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直到[[化学]]作为一门科学开始发展的时候，对原子才有了更进一步的理解。1661年，[[自然哲学|自然哲学家]][[罗伯特·波义耳]]出版了《[[怀疑的化学家]]》一书，书中他声称物质是由不同的“微粒”或原子自由组合构成的，而并不是由诸如气、土、火、水等[[四元素说|基本元素]]构成。<ref>Siegfried (2002:42–55).</ref>1789年，既是[[法国]]贵族，又是科学研究者的[[安托万-洛朗·德·拉瓦锡|拉瓦锡]]定义了元素一词，从此，元素就用来表示化学变化中的最小的单位。<ref>{{cite web |url=http://web.lemoyne.edu/~GIUNTA/EA/LAVPREFann.HTML |title=Lavoisier's Elements of Chemistry |work=Elements and Atoms |publisher=Le Moyne College, Department of Chemistry |accessdate=2007-12-18 }}</ref>
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===现代原子理论===
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[[约翰·道尔顿|道耳吞]]的理想没有涉及'''原子'''内部结构。随后，在1897年，第一个亚原子粒子--[[电子]]，被发现。1911年，英国物理学家[[欧内斯特·卢瑟福|卢瑟福]]发现每一个原子都含有一个比重很大并且带正电的原子核，他随后在1919年发现了原子核内部带正电的质子。1932年不带电的中子又被英国物理学家[[詹姆斯·查兑克|查德威克]]发现。现代化学认为原子由原子核及绕核旋转的电子构成。原子核中含有许多[[质子]]和[[中子]]。质子和中子要比电子重约1836倍。质子的带电量是一个单位的正电荷，电子是一个单位的负电荷，中子不带电。
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1803年，英语教师及自然哲学家[[约翰·道尔顿]]用原子的概念解释了为什么不同元素总是呈[[整数]]倍反应，即[[倍比定律]]；也解释了为什么某些气体比另外一些更容易溶于水。他提出每一种元素只包含唯一一种原子，而这些原子相互结合起来就形成了[[化合物]]。<ref>Wurtz (1881:1–2).</ref><ref>Dalton (1808).</ref>
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1827年，英国[[植物学|植物学家]][[罗伯特·布朗|罗伯特·布朗]]在使用[[显微镜|显微镜]]观察水面上花粉的时候，发现它们进行着不规则运动，进一步证明了微粒学说。后来，这一现象被称为为[[布朗运动]]。[[德绍儿克思]]在1877年提出这种现象是由于水分子的热运动而导致的。1905年，[[阿尔伯特·爱因斯坦|爱因斯坦]]提出了第一个数学分析的方法，证明了这个猜想。<ref>{{cite journal |last=Einstein |first=Albert |title=Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen |journal=Annalen der Physik |date=1905年5月 |volume=322 |issue=8 |pages=549–560 |language=de |url=http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/papers/1905_17_549-560.pdf |format=PDF |doi=10.1002/andp.19053220806 |accessdate=2007-02-04 |bibcode=1905AnP...322..549E |deadurl=yes |archiveurl=https://web.archive.org/web/20060318060724/http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/papers/1905_17_549-560.pdf |archivedate=2006-03-18 }}</ref><ref>Mazo (2002:1–7).</ref><ref>{{cite web |last=Lee |first=Y. K. |coauthors=Hoon, Kelvin |year=1995|url=http://www.doc.ic.ac.uk/~nd/surprise_95/journal/vol4/ykl/report.html |title=Brownian Motion |publisher=Imperial College, London |accessdate=2007-12-18 }}</ref>
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在关于[[阴极射线|阴极射线]]的工作中，物理学家[[约瑟夫·汤姆孙]]发现了电子以及它的亚原子特性，粉碎了一直以来认为原子不可再分的设想。<ref name="nobel1096">{{cite web |author=The Nobel Foundation |year=1906|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1906/thomson-bio.html |title=J.J. Thomson |publisher=Nobelprize.org |accessdate=2007-12-20 }}</ref>汤姆孙认为电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。这也叫做[[梅子布丁模型]]。
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然而，在1909年，在物理学家[[欧内斯特·卢瑟福|卢瑟福]]的指导下，研究者们用氦离子轰击金箔。他们意外的发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆孙假设所预测值。卢瑟福根据这个[[阿尔法粒子散射实验|金箔实验]]的结果提出原子中大部分质量和正电荷都集中在位于原子中心的原子核当中，电子则像行星围绕太阳一样围绕着原子核。带正电的氦离子在穿越原子核附近时，就会被大角度的反射。<ref>{{cite journal
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|last=Rutherford
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|first=E.
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|title=The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom
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|journal=Philosophical Magazine
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|year=1911
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|volume=21
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|pages=669–88
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|url=http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Rutherford-1911/Rutherford-1911.html
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|archiveurl=https://web.archive.org/web/20070205100120/http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Rutherford-1911/Rutherford-1911.html
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|archivedate=2007-02-05
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}}</ref>
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1913年，在进行有关对[[放射性]]衰变产物的实验中，[[放射化学家]][[弗雷德里克·索迪]]发现对于元素周期表中的每个位置，不仅仅只有一种原子。<ref>{{cite web |url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1921/soddy-bio.html |title=Frederick Soddy, The Nobel Prize in Chemistry 1921 |publisher=Nobel Foundation |accessdate=2008-01-18}}</ref> [[玛格丽特·陶德]]创造了[[同位素]]一词，来表示同一种元素中不同种类的原子。在进行关于离子气体的研究过程中，汤姆孙发明了一种新技术，可以用来分离不同的同位素，最终导致了稳定同位素的发现。<ref>{{cite journal |last=Thomson |first=Joseph John |title=Rays of positive electricity |journal=Proceedings of the Royal Society |year=1913|volume=A 89 |pages=1–20 |url=http://web.lemoyne.edu/~giunta/canal.html |accessdate=2007-01-18 }}</ref>
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与此同时，物理学家[[尼尔斯·玻尔|玻尔]]重新审视了卢瑟福的模型，他认为电子应该位于确定的轨道之中，并且能够在不同轨道之间跳跃，而不是像先前认为那样可以自由的向内或向外移动。电子在这些固定轨道间跳跃时，必须吸收或者释放特定的能量。<ref>{{cite web
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|last=Stern |first=David P. |date=2005-05-16|url=http://www-spof.gsfc.nasa.gov/stargaze/Q5.htm |title=The Atomic Nucleus and Bohr's Early Model of the Atom |publisher=NASA Goddard Space Flight Center |accessdate=2007-12-20 }}</ref>当热源产生的一束[[光]]穿过[[稜镜|棱镜]]时，能够产生一个多彩的[[光学频谱|光谱]]。应用轨道跃迁的理论就能够很好的解释光谱中存在的位置不变的[[谱线|线条]]。<ref>{{cite web |last=Bohr |first=Niels |date=1922-12-11|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1922/bohr-lecture.html |title=Niels Bohr, The Nobel Prize in Physics 1922, Nobel Lecture |publisher=The Nobel Foundation |accessdate=2008-02-16 }}</ref>
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1916年，[[吉尔伯特·路易斯]]发现[[化学键]]的本质就是两个原子间电子的相互作用。<ref>{{cite journal
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|last=Lewis |first=Gilbert N.
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|title=The Atom and the Molecule
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|journal=Journal of the American Chemical Society
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|date=1916年4月|volume=38 |issue=4
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|pages=762-786 |doi=10.1021/ja02261a002 }}</ref>众所周之，元素的[[化学性质]]按照[[元素周期表|周期律]]反复的循环。<ref>{{cite book
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|first=Eric R. |last=Scerri |year=2007|title=The Periodic Table |pages=205–226
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|publisher=Oxford University Press US
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|isbn=0195305736 }}</ref>1919年，美国化学家[[欧文·朗缪尔]]提出原子中的电子以某种性质相互连接或者说相互聚集。一组电子占有一个特定的[[电子层|电子层]]。<ref>{{cite journal
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|last=Langmuir
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|first=Irving
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|title=The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules
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|journal=Journal of the American Chemical Society
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|year=1919
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|pages=868–934
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|archivedate=2008-12-10
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}}</ref>
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1926年，[[埃尔温·薛定谔|薛定谔]]使用[[路易·德布罗意]]于1924年提出的[[波粒二象性]]的假说，建立了一个原子的数学模型，用来将电子描述为一个三维[[波形]]。使用波形来描述电子的一个直接后果就是在数学上不能够同时得到[[位置向量|位置]]和[[动量]]的精确值，1926年，[[维尔纳·海森堡|海森堡]]建立了相关的方程，这也就是后来著名的[[不确定性原理]]。这个概念描述的是，对于测量的某个位置，只能得到一个不确定的动量范围，反之亦然。尽管这个模型很难想象，但它能够解释一些以前观测到却不能解释的原子的性质，例如比氢更大的原子的谱线。因此，人们不再使用原子的行星模型，而更倾向于将[[原子轨道]]视为电子存在概率的区域。<ref>{{cite web
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|last=Brown |first=Kevin |year=2007|url=http://www.mathpages.com/home/kmath538/kmath538.htm
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|title=The Hydrogen Atom |publisher=MathPages
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|accessdate=2007-12-21
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}}</ref><ref>{{cite web
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|last=Harrison |first=David M. |date=2000年3月|url=http://www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/DevelQM/DevelQM.html
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|title=The Development of Quantum Mechanics
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|publisher=University of Toronto
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|accessdate=2007-12-21 }}</ref>
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[[质谱]]的发明使得科学家可以直接测量原子的淮确质量。该设备通过使用一个磁体来弯曲一束离子，而偏转量取决于原子的质荷比。[[弗朗西斯·阿斯顿]]使用质谱证实了同位素有着不同的质量，并且同位素间的质量差都为一个整数，这被称为[[整数规则]]。<ref>{{cite journal
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|title=The constitution of atmospheric neon
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|journal=[[Philosophical Magazine]] |year=1920|first=Francis W. |last=Aston
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|volume=39 |issue=6 |pages=449–55 }}</ref>1932年，[[詹姆斯·查德威克]]发现了中子，解释了这一个问题。中子是一种中性的粒子，质量与质子相仿。同位素则被重新定义为有着相同质子数与不同中子数的元素。<ref>{{cite web
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|last=Chadwick |first=James |date=1935-12-12|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1935/chadwick-lecture.html
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|title=Nobel Lecture: The Neutron and Its Properties
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|publisher=Nobel Foundation
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|accessdate=2007-12-21 }}</ref>
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1950年代，随着[[粒子加速器]]及[[粒子探测器]]的发展，科学家们可以研究高能粒子间的碰撞。<ref>{{cite web
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|last=Kullander |first=Sven |date=2001-08-28|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/kullander/
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|title=Accelerators and Nobel Laureates
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|publisher=The Nobel Foundation
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|accessdate=2008-01-31 }}</ref>他们发现中子和质子是[[强子]]的一种，由更小的[[夸克]]微粒构成。核物理的[[标淮模型理论|标淮模型]]也随之发展，能够成功的在亚原子水平解释整个原子核以及亚原子粒子之间的相互作用。<ref>{{cite web
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|author=Staff |date=1990-10-17|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1990/press.html
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|title=The Nobel Prize in Physics 1990
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|publisher=The Nobel Foundation
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|accessdate=2008-01-31 }}</ref>
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1985年左右，[[朱棣文]]及其同事在[[贝尔实验室]]开发了一种新技术，能够使用[[激光]]来冷却原子。[[威廉·丹尼尔·菲利普斯]]团队设法将钠原子置于一个[[磁阱]]中。这两个技术加上由[[克洛德·科昂-唐努德日]]团队基于[[多普勒效应]]开发的一种方法，可以将少量的原子冷却至[[热力学温标|微开尔文]]的温度范围，这样就可以对原子进行很高精度的研究，这也直接导致了[[玻色-爱因斯坦凝聚]]的发现。<ref>{{cite web
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|author=Staff |date=1997-10-15|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1997/
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|title=The Nobel Prize in Physics 1997
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|publisher=Nobel Foundation
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|accessdate=2008-02-10 }}</ref>
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历史上，因为单个原子过于微小，被认为不能够进行科学研究。最近，科学家已经成功使用一单个金属原子与一个有机[[配体|配体]]连接形成一个[[单电子晶体管]]。<ref>{{cite journal
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|author=Park, Jiwoong ''et al'' |journal= Nature
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|year=2002|volume= 417 |issue= 6890 |pages=722–25
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|title= Coulomb blockade and the Kondo effect in single-atom transistors
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|url=http://adsabs.harvard.edu/abs/2002Natur.417..722P
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|doi=10.1038/nature00791 |accessdate=2008-01-03 |bibcode= 2002Natur.417..722P }}</ref>在一些实验中，通过[[激光冷却]]的方法将原子减速并捕获，这些实验能够带来对于物质更好的理解。<ref>{{cite journal
 +
|first=P. |last=Domokos |coauthors=Janszky, J.; Adam, P.
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|title=Single-atom interference method for generating Fock states
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|journal=Physical Review a |volume=50
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|pages=3340–44 |year=1994|doi=10.1103/PhysRevA.50.3340
 +
|url=http://adsabs.harvard.edu/abs/1994PhRvA..50.3340D
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|accessdate=2008-01-03 |bibcode= 1994PhRvA..50.3340D }}</ref>
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== 原子的组成 ==
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=== 亚原子粒子 ===
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尽管原子的英文名称（atom）本意是不能被进一步分割的最小粒子，但是在现代科学领域，原子实际上包含了很多不同的亚原子粒子。它们分别是[[电子]]，[[质子|质子]]和[[中子]]。[[氢]]原子和带一个正电荷的[[氢正离子|氢离子]]例外，前者没有中子，后者只有一个质子。
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质子带有一个正电荷，质量是电子质量的1836倍，为1.6726×10<sup>−27</sup>kg，然而部分质量可以转化为原子[[结合能]]。中子不带电荷，自由中子的质量是电子质量的1839倍，为1.6929×10<sup>−27</sup>kg。<ref>Woan (2000:8).</ref>中子和质子的尺寸相仿，均在2.5×10<sup>−15</sup>m这一数量级，但它们的表面并没能精确定义。<ref>MacGregor (1992:33–37).</ref>
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在物理学[[标淮模型理论]]中，质子和中子都由名叫[[夸克]]的[[基本粒子]]构成。夸克是[[费米子]]的一种，也是构成物质的两个基本组分之一。另外一个基本组份被称作是[[轻子|轻子]]，电子就是轻子的一种。夸克共有六种，每一种都带有分数的电荷，不是+2/3就是-1/3。质子就是由两个[[上夸克]]和一个[[下夸克]]组成，而中子则是由一个上夸克和两个下夸克组成。这个区别就解释了为什么中子和质子电荷和质量均有差别。夸克由[[强相互作用]]结合在一起的，由[[胶子|胶子]]作为中介。胶子是[[规范玻色子]]的一员，是一种用来传递[[力]]的基本粒子。<ref>{{cite web
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|author=Particle Data Group |year=2002|url=http://www.particleadventure.org/
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|title=The Particle Adventure
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|publisher=Lawrence Berkeley Laboratory
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|accessdate=2007-01-03
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}}</ref><ref>{{cite web
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|first=James |last=Schombert
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|date=2006-04-18|url=http://abyss.uoregon.edu/~js/ast123/lectures/lec07.html
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|title=Elementary Particles
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|publisher=University of Oregon
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|accessdate=2007-01-03
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}}</ref>
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=== 原子核 ===
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原子中所有的质子和中子结合起来就形成了一个很小的[[原子核]]，它们一起也可以被称为[[核子]]。原子核的半径约等于<math>\begin{smallmatrix}1.07 \cdot \sqrt[3]{A}\end{smallmatrix}</math>  [[稻|fm]]其中A是核子的总数。<ref>Jevremovic (2005:63).</ref>原子半径的数量级大约是10<sup>5</sup>fm，因此原子核的半径远远小于原子的半径。核子被能在短距离上起作用的[[核力|残留强力]]束缚在一起。当距离小于2.5fm的时候，强力远远大于[[库仑定律|静电力]]，因此它能够克服带正电的质子间的相互排斥。<ref name=pfeffer>Pfeffer (2000:330–336).</ref>
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同种元素的原子带有相同数量的质子，这个数也被称作[[原子序数]]。而对于某种特定的元素，中子数是可以变化的，这也就决定了该原子是这种元素的哪一种同位素。质子数量和中子数量决定了该原子是这种元素的哪一种[[核素]]。中子数决定了该原子的稳定程度，一些同位素能够自发进行[[放射性]][[放射性衰变|衰变]]。<ref>{{cite web
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|last=Wenner |first=Jennifer M. |date=2007-10-10|url=http://serc.carleton.edu/quantskills/methods/quantlit/RadDecay.html
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|title=How Does Radioactive Decay Work?
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|publisher=Carleton College |accessdate=2008-01-09 }}</ref>
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中子和质子都是[[费米子]]的一种，根据[[量子力学]]中的[[泡利不相容原理]]，不可能有完全相同的两个费米子同时拥有一样量子物理态。因此，原子核中的每一个质子都占用不同的能级，中子的情况也与此相同。不过泡利不相容原理并没有禁止一个质子和一个中子拥有相同的量子态。
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如果一个原子核的质子数和中子数不相同，那么该原子核很容易发生放射性衰变到一个更低的能级，并且使得质子数和中子数更加相近。因此，质子数和中子数相同或很相近的原子更加不容易衰变。然而，当原子序数逐渐增加时，因为质子之间的排斥力增强，需要更多的中子来使整个原子核变的稳定，所以对上述趋势有所影响。因此，当原子序数大于20时，就不能找到一个质子数与中子数相等而又稳定的原子核了。随着Z的增加，中子和质子的比例逐渐趋于1.5。
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原子核中的质子数和中子数也是可以变化的，不过因为它们之间的力很强，所以需要很高的能量，当多个粒子聚集形成更重的原子核时，就会发生[[核聚变]]，例如两个核之间的高能碰撞。在太阳的核心，质子需要3-10KeV的能量才能够克服它们之间的相互排斥，也就是[[库仑障壁]]，进而融合起来形成一个新的核。<ref>{{cite web
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|last=Mihos |first=Chris |date=2002-07-23|url=http://burro.cwru.edu/Academics/Astr221/StarPhys/coulomb.html
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|title=Overcoming the Coulomb Barrier
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|publisher=Case Western Reserve University
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|accessdate=2008-02-13 }}</ref>与此相反的过程是核裂变，在[[核裂变]]中，一个核通常是经过放射性衰变，分裂成为两个更小的核。使用高能的亚原子粒子或光子轰击也能够改变原子核。如果在一个过程中，原子核中质子数发生了变化，则此原子就变成了另外一种元素的原子了。<ref>{{cite web
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|author=Staff |date=2007-03-30|url=http://www.lbl.gov/abc/Basic.html
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|title=ABC's of Nuclear Science
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|publisher=Lawrence Berkeley National Laboratory
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|accessdate=2007-01-03
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}}</ref><ref>{{cite web
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|first=Arjun |last=Makhijani |coauthors=Saleska, Scott
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|date=2001-03-02|url=http://www.ieer.org/reports/n-basics.html
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|title=Basics of Nuclear Physics and Fission
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|publisher=Institute for Energy and Environmental Research
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|accessdate=2007-01-03
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}}</ref>
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如果核聚变后产生的原子核质量小于聚变前原子质量的总和，那么根据爱因斯坦的[[质能方程|质能方程]]，这一些质量的差就作为能量被释放了。这个差别实际是原子核之间的[[结合能]]。<ref>Shultis ''et al'' (2002:72–6).</ref>
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对于两个原子序数在[[铁]]或[[镍]]之前的原子核来说，它们之间的核聚变是一个[[放热过程]]，也就是说过程释放的能量大于将它们连在一起的能量。<ref>{{cite journal
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|last= Fewell |first= M. P.
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|title=The atomic nuclide with the highest mean binding energy
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|journal=[[American Journal of Physics]]
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|year=1995|volume=63 |issue=7 |pages=653–58
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|url=http://adsabs.harvard.edu/abs/1995AmJPh..63..653F
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|accessdate= 2007-02-01
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|doi=10.1119/1.17828 |bibcode= 1995AmJPh..63..653F }}</ref>正是因为如此，才确保了恒星中的核聚变能够自我维持。对于更重一些的原子来说，结合能开始减少，也就是说它们的核聚变会是一个[[吸热过程]]。因此，这些更重的原子不能够进行产能的核聚变，也就不能够维持恒星的[[流体静力平衡]]。<ref name="raymond">{{cite web
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|last=Raymond
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|first=David
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|date=2006-04-07
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|url=http://physics.nmt.edu/~raymond/classes/ph13xbook/node216.html
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|title=Nuclear Binding Energies
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|publisher=New Mexico Tech
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|accessdate=2007-01-03
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|archiveurl=https://web.archive.org/web/20021201030437/http://physics.nmt.edu/~raymond/classes/ph13xbook/node216.html
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|archivedate=2002-12-01
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}}</ref>
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=== 电子云 ===
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在一个原子中，电子和质子因为[[电磁力|电磁力]]而相互吸引，也正是这个力将电子束缚在一个环绕着原子核的[[静电学|静电]][[球对称位势|位势阱]]中，要从这个[[势阱]]中逃逸则需要外部的能量。电子离原子核越近，吸引力则越大。因此，与外层电子相比，离核近的电子需要更多能量才能够逃逸。
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[[原子轨道]]则是一个描述了电子在核内的概率分布的数学方程。在实际中，只有一组离散的（或量子化的）轨道存在，其他可能的形式会很快的坍塌成一个更稳定的形式。<ref name=Brucat>{{cite web
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|last=Brucat
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|first=Philip J.
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|year=2008
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|url=http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_10.html
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|title=The Quantum Atom
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|publisher=University of Florida
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|accessdate=2007-01-04
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|deadurl=yes
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|archiveurl=https://web.archive.org/web/20061207032136/http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_10.html
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|archivedate=2006-12-07
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}}</ref>这些轨道可以有一个或多个的环或节点，并且它们的大小，形状和空间方向都有不同。<ref>{{cite web
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|last=Manthey |first=David |year=2001|url=http://www.orbitals.com/orb/
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|title=Atomic Orbitals |publisher=Orbital Central
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|accessdate=2008-01-21 }}</ref>
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每一个原子轨道都对应一个电子的[[能级]]。电子可以通过吸收一个带有足够能量的光子而跃迁到一个更高的能级。同样的，通过[[自发辐射]]，在高能级态的电子也可以跃迁回一个低能级态，释放出光子。这些典型的能量，也就是不同量子态之间的能量差，可以用来解释原子[[谱线|谱线]]。
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在原子核中除去或增加一个电子所需要的能量远远小于核子的结合能，这些能量被称为[[电子结合能]]。例如：夺去氢原子中[[基态]]电子只需要13.6eV。<ref>{{cite web
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|last=Herter
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|first=Terry
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|year=2006
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|url=http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/astro101/lectures/lec08.htm
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|title=Lecture 8: The Hydrogen Atom
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|publisher=Cornell University
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|accessdate=2008-02-14
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|archiveurl=https://web.archive.org/web/20080415114913/http://instruct1.cit.cornell.edu/Courses/astro101/lectures/lec08.htm
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|archivedate=2008-04-15
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}}</ref>当电子数与质子数相等时，原子是[[电中性]]的。如果电子数大于或小于质子数时，该原子就会被称为[[离子]]。原子最外层电子可以移动至相邻的原子，也可以由两个原子所共有。正是由于有了这种机理，原子才能够键合形成[[分子]]或其他种类的[[化合物]]，例如离子或共价的网状[[晶体]]。<ref>Smirnov (2003:249–72).</ref>
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== 性质 ==
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=== 核性质 ===
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根据定义，任意两个有着相同质子数的原子属于同一种元素，而有着相同质子数和不同中子数的则是同一种元素中不同的同位素。例如，所有的氢原子都只有一个质子，但氢原子的同位素有几种，分别含有零个中子（氢-1，目前最常见的类型，有时也被称为[[氢原子|氕]]），一个中子（[[氘]]），两个中子（[[氚]]）以及[[氢的同位素|更多的中子]]。<ref>{{cite web
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|last=Matis |first=Howard S. |date=2000-08-09|url=http://www.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/02/3.html
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|title=The Isotopes of Hydrogen
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|work=Guide to the Nuclear Wall Chart
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|publisher=Lawrence Berkeley National Lab
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|accessdate=2007-12-21 }}</ref>原子序数从1（氢）到118（[[Uuo]]）均为已知元素。<ref>{{cite news
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|last=Weiss |first=Rick |date=2006-10-17|title=Scientists Announce Creation of Atomic Element, the Heaviest Yet
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|publisher=Washington Post
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|url=http://www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2006/10/16/AR2006101601083.html
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|accessdate=2007-12-21 }}</ref>对于所有[[原子序]]数大于[[82]]的同位素都有放射性。<ref name=sills>Sills (2003:131–134).</ref><ref name=dume>{{cite news
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|last=Dumé |first=Belle |date=2003-04-23|title=Bismuth breaks half-life record for alpha decay
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|publisher=Physics World
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|url=http://physicsworld.com/cws/article/news/17319
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|accessdate=2007-12-21 }}</ref>
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地球上自然存在约[[339]]种核素，其中[[255]]种是稳定的，约占总数79%。<ref>{{cite web
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|last=Lindsay |first=Don |date=2000-07-30|url=http://www.don-lindsay-archive.org/creation/isotope_list.html
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|title=Radioactives Missing From The Earth
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|publisher=Don Lindsay Archive
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|accessdate=2007-05-23 }}</ref>80种元素含有一个或一个以上的[[稳定同位素]]。[[锝|第43号元素]]、[[钷|第61号元素]]及所有原子序数大于等于[[铋|83]]的元素没有稳定的同位素。有十六种元素只含有一个稳定的同位素，而拥有同位素最多的元素，[[锡]]，则有十个同位素。<ref name=CRC>CRC Handbook (2002).</ref>
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同位素的稳定性不只受到质子数与中子数之比的影响，也受到所谓幻数的影响，实际上幻数就代表了全满的量子层。这些量子层对应于原子核层模型中一组能级。在已知的269种稳定核素中，只有四个核素同时有着奇数个质子和奇数个中子。它们分别是：[[氢|<sup>2</sup>H]], [[锂|<sup>6</sup>Li]], [[硼|<sup>10</sup>B]]和[[氮|<sup>14</sup>N]]；对于放射性核素来说，也只有四种奇-奇核素的半衰期超过了一亿年：[[钾|<sup>40</sup>K]], [[钒|<sup>50</sup>V]], [[镧|<sup>138</sup>La]]和[[坦|<sup>180m</sup>Ta]]。这是因为对于大多数奇-奇核素来说，很容易会发生[[β衰变]]，产生的更稳定的偶-偶核素。<ref name=CRC/>
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=== 质量 ===
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因为原子质量的绝大部分是质子和中子的质量，所以质子和中子数量的总和叫做[[质量数|质量数]]。原子的静止质量通常用[[原子质量单位|统一原子质量单位]]（u）来表示，也被称作道尔顿（Da）。这个单位被定义为电中性的[[碳-12|碳12]]质量的十二分之一，约为1.6605565x10^-27</sup>千克。<ref name=iupac/>氢最轻的一个同位素氕是最轻的原子，重量约为1.007825u。<ref>{{cite web
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|last=Chieh |first=Chung
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|date=2001-01-22|url=http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/nuctek/nuclideunstable.html
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|title=Nuclide Stability
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|publisher=University of Waterloo
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|accessdate=2007-01-04 }}</ref>一个原子的质量约是质量数与原子质量单位的乘积。<ref>{{cite web
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|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/Compositions/stand_alone.pl?ele=&ascii=html&isotype=some
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|title=Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements
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|publisher=National Institute of Standards and Technology
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|accessdate=2007-01-04 }}</ref>最重的稳定原子是铅-208，<ref name=sills/>质量为207.9766521u。<ref>{{cite journal
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|last=Audi
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|first=G.
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|coauthors=Wapstra, A. H.; Thibault C.
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|title=The Ame2003 atomic mass evaluation（II）
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|journal=Nuclear Physics
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|year=2003
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|volume=A729
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|pages=337–676
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|url=http://www.nndc.bnl.gov/amdc/web/masseval.html
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|accessdate=2008-02-07
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|deadurl=yes
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|archiveurl=https://web.archive.org/web/20080916155656/http://www.nndc.bnl.gov/amdc/web/masseval.html
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|archivedate=2008-09-16
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}}</ref>
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就算是最重的原子，化学家也很难直接对其进行操作，所以它们通常使用另外一个单位，[[摩尔 (单位)|摩尔]]。摩尔的定义是对于任意一种元素，一摩尔总是含有同样数量的原子，约为6.022×10<sup>23</sup>。因此，如果一个元素的原子质量为1u，一摩尔该原子的质量就为0.001kg，也就是1克。例如，碳的原子质量是12u，一摩尔碳的质量则是0.012kg。<ref name=iupac>Mills ''et al'' (1993).</ref>
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=== 大小 ===
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原子并没有一个精确定义的最外层，只有当两个原子形成[[化学键]]后，通过测量两个原子核间的距离，才能够得到原子半径的一个近似值。影响原子半径的因素很多，包括在[[元素周期表]]上的位置，化学键的类型，周围的原子数（配位数）以及[[自旋]]。<ref>{{cite journal
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|last= Shannon |first= R. D.
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|title=Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides
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|journal=[[Acta Crystallographica]], Section a
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|year=1976|volume=32 |pages=751
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|url=http://journals.iucr.org/a/issues/1976/05/00/issconts.html
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|accessdate=2007-01-03
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|doi=10.1107/S0567739476001551 |bibcode= 1976AcCrA..32..751S }}</ref>在元素周期表中，原子的半径变化的大体趋势是自上而下增加，而从左至右减少。<ref>{{cite web
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|last=Dong |first=Judy |year=1998|url=http://hypertextbook.com/facts/MichaelPhillip.shtml
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|title=Diameter of an Atom
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|publisher=The Physics Factbook
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|accessdate=2007-11-19 }}</ref>因此，最小的原子是[[氦]]，半径为32pm；最大的原子是[[铯]]，半径为225pm。<ref>Zumdahl (2002).</ref>因为这样的尺寸远远小于可见光的波长（约400-700nm），所以不能够通过[[光学显微镜]]来观测它们。然而，使用[[扫描隧道显微镜]]我们能够观察到单个原子。
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可以看到：原子的体积很小。一根人的[[头髮|头发]]的直径大约是一百万个原子。<ref>{{cite web
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|author=Staff
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|year=2007
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|url=http://oregonstate.edu/terra/2007winter/features/nanotech.php
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|title=Small Miracles: Harnessing nanotechnology
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|publisher=Oregon State University
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|accessdate=2007-01-07
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|deadurl=yes
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|archiveurl=https://web.archive.org/web/20071204164837/http://oregonstate.edu/terra/2007winter/features/nanotech.php
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|archivedate=2007-12-04
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}}—describes the width of a human hair as 10<sup>5</sup> nm and 10 carbon atoms as spanning 1 nm.</ref>一滴水则大约有二十[[中文数字|米]]（2×10<sup>21</sup>）个氧原子以及两倍的氢原子。<ref>Padilla ''et al''（2002:32）—"There are 2,000,000,000,000,000,000,000 (that's 2 sextillion) atoms of oxygen in one drop of water—and twice as many atoms of hydrogen."</ref>一[[克拉]][[钻石]]重量为2×10<sup>-4</sup>kg，含有约100垓个碳原子。<ref>A carat is 200 milligrams. [[Atomic mass|By definition]], Carbon-12 has 0.012 kg per mole. The [[Avogadro constant]] defines 6{{Esp|23}} atoms per mole.</ref>如果[[苹果]]被放大到[[地球]]的大小，那么苹果中的原子大约就有原来苹果那么大了。<ref>Feynman (1995).</ref>
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=== 放射性 ===
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每一种元素都有一个或多个同位素拥有不稳定的原子核，从而能发生放射性衰变，在这个过程中，原子核可以释放出粒子或电磁辐射。当原子核的半径大于强力的作用半径时，放射性衰变就可能发生，而强力的作用半径仅为几飞米。<ref name=splung>{{cite web
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|url=http://www.splung.com/content/sid/5/page/radioactivity
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|title=Radioactivity |publisher=Splung.com
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|accessdate=2007-12-19 }}</ref>
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最常见的放射性衰变如下：<ref>L'Annunziata (2003:3–56).</ref><ref>{{cite web
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|last=Firestone
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|first=Richard B.
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|date=2000-05-22
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|url=http://isotopes.lbl.gov/education/decmode.html
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|title=Radioactive Decay Modes
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|publisher=Berkeley Laboratory
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|accessdate=2007-01-07
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|deadurl=yes
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|archiveurl=https://web.archive.org/web/20060929111801/http://isotopes.lbl.gov/education/decmode.html
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|archivedate=2006-09-29
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}}</ref>
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* [[α衰变]]：原子核释放一个α粒子，即含有两个质子和两个中子的氦原子核。衰变的结果是产生一个[[原子序数]]低一些的新元素。
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* [[β衰变]]：弱相互作用的现象，过程中一个中子转变成一个质子或者一个质子转变成一个中子。前者伴随着一个电子和一个[[反中微子]]的释放，后者则释放一个[[正电子|正电子]]和一个[[中微子]]。所释放的电子或正电子被叫做β粒子。因此，β衰变能够使得该原子的原子序数增加或减少一。
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* [[γ衰变]]：原子核的能级降低，释放出电磁波辐射，通常在释放了α粒子或β粒子后发生。
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其它比较罕见的放射性衰变还包括：释放中子或质子，释放[[核子]]团或电子团，通过[[内转换]]产生高速的电子而非[[β粒子|β射线]]以及高能的光子而非伽马射线。
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每一个放射性同位素都有一个特征衰变期间，即半衰期。[[半衰期]]就是一半样品发生衰变所需要的时间。这是一种[[指数衰变]]，即样品在每一个半衰期内恒定的衰变50%，换句话说，当两次半衰期之后，就只剩下25%的起始同位素了。
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=== 磁矩 ===
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基本微粒都有一个固有性质，就像在宏观物理中围绕[[质心]]旋转的物体都有[[角动量]]一样，在[[量子力学]]中被叫做[[自旋]]。但是严格来说，这些微粒仅仅是一些点，不能够旋转。自旋的单位是[[普朗克常数|约化普朗克常数]]（<math>\hbar</math>），电子、质子和中子的自旋都是½<math>\hbar</math>。在原子里，电子围绕原子核运动，所以除了自旋，它们还有[[轨道角动量]]。而对于原子核来说，轨道角动量是起源于自身的自旋。<ref>{{cite web |last=Hornak |first=J. P. |year=2006 |url=http://astro.rit.edu/htbooks/nmr/bnmr.htm |title=Chapter 3: Spin Physics |work=The Basics of NMR |publisher=Rochester Institute of Technology |accessdate=2007-01-07 |deadurl=yes |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070526190509/http://astro.rit.edu/htbooks/nmr/bnmr.htm |archivedate=2007-05-26 }}</ref>
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正如一个旋转的带电物体能够产生[[磁场|磁场]]一样，一个原子所产生的磁场，即它的[[磁矩]]，就是由这些不同的角动量决定的。然后，自旋对它的影响应该是最大的。因为电子的一个性质就是要符合[[泡利不相容原理]]，即不能有两个位于同样[[量子态]]的电子，所以当电子成对时，总是一个自旋朝上而另外一个自旋朝下。这样，它们产生的磁场相互抵消。对于某些带有偶数个电子的原子，总的磁偶极矩会被减少至零。<ref name=schroeder>{{cite web
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|last=Schroeder
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|first=Paul A.
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|date=2000-02-25
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|url=http://www.gly.uga.edu/schroeder/geol3010/magnetics.html
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|title=Magnetic Properties
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|publisher=University of Georgia
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|accessdate=2007-01-07
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|archiveurl=https://web.archive.org/web/20070429150216/http://www.gly.uga.edu/schroeder/geol3010/magnetics.html
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|archivedate=2007-04-29
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}}</ref>
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对于[[铁磁性]]的元素，例如铁，因为电子总数为奇数，所以会产生一个净磁矩。同时，因为相邻原子轨道重迭等原因，当未成对电子都朝向同一个方向时，体系的总能量最低，这个过程被称为[[交换相互作用]]。当这些铁磁性元素的磁动量都统一朝向后，整个材料就会拥有一个宏观可以测量的磁场。[[顺磁性|顺磁性]]材料中，在没有外部磁场的情况下，原子磁矩都是随机分布的；施加了外部磁场以后，所有原子都会统一朝向，产生磁场。<ref>{{cite web
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|last=Goebel |first=Greg
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|date=2007-09-01|url=http://www.vectorsite.net/tpqm_04.html
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|title=<nowiki>[4.3]</nowiki> Magnetic Properties of the Atom
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|work=Elementary Quantum Physics
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|publisher=In The Public Domain website
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|accessdate=2007-01-07
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}}</ref><ref name=schroeder/>
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原子核也可以存在净自旋。由于[[热平衡]]，通常这些原子核都是随机朝向的。但对于一些特定元素，例如[[氙]]-129，一部分核自旋也是可能被[[极化]]的，这个状态被叫做[[超极化 (物理学)|超极化]]，在[[核磁共振成像]]中有很重要的应用。<ref>{{cite journal
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|last=Yarris |first=Lynn |title=Talking Pictures
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|journal=Berkeley Lab Research Review
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|year=1997|url=http://www.lbl.gov/Science-Articles/Research-Review/Magazine/1997/story1.html
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|accessdate=2008-01-09
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}}</ref><ref>Liang and Haacke (1999:412–26).</ref>
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=== 能-{zh:级;zh-hans:级;zh-hant:级;zh-hans:级;zh-hant:阶;zh-hk:级;zh-sg:级;zh-mo:级;}- ===
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原子中，电子的[[势能]]与它离原子核的距离成反比。测量电子的势能，通常的测量将让该电子脱离原子所需要的能量，单位是[[电子伏特|电子伏特]]（eV）。在量子力学模型中，电子只能占据一组以原子核为中心的状态，每一个状态就对应于一个能级。最低的能级就被叫做基态，而更高的能级就被叫做激发态。<ref>{{cite web
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|last=Zeghbroeck
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|first=Bart J. Van
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|url=http://physics.ship.edu/~mrc/pfs/308/semicon_book/eband2.htm
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|title=Energy levels
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}}</ref>
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电子要在两个能级之间跃迁的前提是它要吸收或者释放能量，该能量还必须要和这两个能级之间的能量差一致。因为释放的[[光]]子能量只与光子的频率有关，并且能级是不连续的，所以在[[电磁波谱|电磁波谱]]中就会出现一些不连续的带。<ref>Fowles (1989:227–233).</ref>每一个元素都有一个特征波谱，特征波谱取决于核电荷的多少，电子的填充情况，电子间的电磁相互作用以及一些其他的因素。<ref>{{cite web
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|coauthors=Wiese, W. L. |date=2007年5月|url=http://physics.nist.gov/Pubs/AtSpec/
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|title=Atomic Spectroscopy: A Compendium of Basic Ideas, Notation, Data, and Formulas
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|publisher=National Institute of Standards and Technology
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|accessdate=2007-01-08 }}</ref>
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当一束全谱的光经过一团气体或者一团等离子体后，一些光子会被原子吸收，使得这些原子内的电子跃迁。而在激发态的电子则会自发的返回低能态，能量差作为光子被释放至一个随机的方向。前者就使那些原子有了类似于滤镜的功能，观测者在最后接收到的光谱中会发现一些黑色的[[吸收能带]]。而后者能够使那些与光线不在同一条直线上的观察者观察到一些不连续的谱线，实际就是那些原子的[[发射谱线]]。对这些谱线进行光谱学测量就能够知道该物质的组成以及物理性质。<ref name=>{{cite web
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|url=http://www.avogadro.co.uk/light/bohr/spectra.htm
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|title=Atomic Emission Spectra—Origin of Spectral Lines
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|publisher=Avogadro Web Site
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}}</ref>
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在对谱线进行了细致的分析后，科学家发现一些谱线有着[[精细结构]]的[[裂分]]。这是因为自旋与最外层电子运动间的相互作用，也被称作[[自旋-轨道藕合]]。<ref>{{cite web
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|date=2007-02-16|url=http://farside.ph.utexas.edu/teaching/qm/lectures/node55.html
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|title=Fine structure
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|publisher=University of Texas at Austin
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|accessdate=2008-02-14 }}</ref>当原子位于外部磁场中时，谱线能够裂分成三个或多个部分，这个现象被叫做[[塞曼效应]]，其原因是原子的磁矩及其电子与外部磁场的相互作用。一些原子拥有许多相同能级电子排布，因而只产生一条谱线。当这些原子被安置在外部[[磁场|磁场]]中时，这几种电子排布的能级就有了一些细小的区别，这样就出现了裂分。<ref>{{cite web
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|last=Weiss |first=Michael |year=2001|url=http://math.ucr.edu/home/baez/spin/node8.html
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|title=The Zeeman Effect
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|publisher=University of California-Riverside
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|accessdate=2008-02-06
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}}</ref>外部电场的存在也能导致类似的现象发生，被成为[[斯塔克效应]]。<ref>Beyer (2003:232–236).</ref>
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如果一个电子在激发态，一个有着恰当能量的光子能够使得该电子[[受激辐射]]，释放出一个拥有相同能量的光子，其前提就是电子返回低能级所释放出来的能量必须要与与之作用的光子的能量一致。此时，受激释放的光子与原光子向同一个方向运动，也就是说这两个光子的波是同步的。利用这个原理，人们设计出了[[激光]]，用来产生一束拥有很窄频率[[相干性|相干]]光源。<ref>{{cite web
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|last=Watkins
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|first=Thayer
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|url=http://www.sjsu.edu/faculty/watkins/stimem.htm
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|title=Coherence in Stimulated Emission
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|publisher=San José State University
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|accessdate=2007-12-23
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}}</ref>
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=== 化合价 ===
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单个原子的电子层最外层一般被称为价层，其中的电子被称为[[价电子]]。价电子的个数决定了这个原子与其他原子成[[化学键|键]]的性质。原子能发生化学反应的一个统一的趋势是使得其价层全满或者全空。<ref>{{cite web
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|last=Reusch
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|first=William
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|date=2007-07-16
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|url=http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/intro1.htm
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|title=Virtual Textbook of Organic Chemistry
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|publisher=Michigan State University
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}}</ref>
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[[元素|化学元素]]通常被写在一个化学周期表中，用来表明它们有周期重复的一些化学性质。通常，拥有相同数量价电子的元素形成一组，在元素周期表中占相同的一列。而元素周期表中的横排则与量子层的电子填充情况相对应。周期表最右边的元素价层都是全满的，因此它们在[[化学反应]]中表现出一定的惰性，被成为[[稀有气体|惰性气体]]。<ref>{{cite web
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|author=Husted, Robert et al |date=2003-12-11|url=http://periodic.lanl.gov/default.htm
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|title=Periodic Table of the Elements
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|publisher=Los Alamos National Laboratory
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|accessdate=2008-01-11 }}
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</ref><ref>{{cite web
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|first=Rudy |last=Baum |year=2003|url=http://pubs.acs.org/cen/80th/elements.html
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|title=It's Elemental: The Periodic Table
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|publisher=Chemical & Engineering News
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|accessdate=2008-01-11 }}</ref>
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=== 态 ===
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物质很多不同的[[相 (物质)|相态]]之中都存在原子，这些相态都由一定的物理条件所决定，例如[[温度]]与[[压强]]。通过改变这些条件，物质可以在[[固体]]、[[液体]]、[[气体]]与[[等离子体]]之间转换。<ref>Goodstein (2002:436–438).</ref>在同一种相态中，物质也可以有不同的形态，例如固态的[[碳]]就有[[石墨]]和[[钻石|金刚石]]两种形态。<ref>{{cite journal
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|last=Brazhkin |first=Vadim V.
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|title=Metastable phases, phase transformations, and phase diagrams in physics and chemistry
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|journal=Physics-Uspekhi
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|year=2006|volume=49 |pages=719–24
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|doi=10.1070/PU2006v049n07ABEH006013 |bibcode= 2006PhyU...49..719B }}</ref>
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当温度很靠近[[绝对零度]]时，原子可以形成[[玻色-爱因斯坦凝聚|玻色-爱因斯坦凝聚态]]。<ref>Myers (2003:85).</ref><ref>{{cite news
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|author=Staff
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|date=2001-10-09
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|title=Bose-Einstein Condensate: A New Form of Matter
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|publisher=National Institute of Standards and Technology
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|archivedate=2008-01-03
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}}</ref>这些超冷的原子可以被视为一个[[超原子]]，使得科学家可以研究量子力学的一些基本原理。<ref>{{cite web
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|coauthors=Fyffe, Jeanette
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|date=1999-02-03
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|url=http://www.ph.unimelb.edu.au/~ywong/poster/articles/bec.html
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|title=Super Atoms from Bose-Einstein Condensation
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|publisher=The University of Melbourne
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|archivedate=2007-08-29
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}}</ref>
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== 测定 ==
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[[扫描隧道显微镜]]是用来在原子水平观测物体表面的一种仪器。它利用了[[量子穿隧效应|量子穿隧效应]]，使得电子能够穿越一些平时不能够克服的障碍。在操作中，电子能够隧穿介于两个平面金属电极之间的真空。每一个电极表面吸附有一个原子，使得穿隧电流密度大到可以测量。保持电流恒定，随着扫描的进行，可以得到一个探针末端的上下位移与横向位移之间的关系图。计算证明扫描隧道显微镜所得到的显微图像能够分辨出单个原子。在低偏差的情况下，显微图像显示的是对相近能级的电子轨道的一种空间平均后的尺寸，这些相近的能级也就是[[费米能]]中的[[局部态密度]]。<ref>{{cite web
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|last=Jacox |first=Marilyn |coauthors=Gadzuk, J. William
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|url=http://physics.nist.gov/GenInt/STM/stm.html
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|title=Scanning Tunneling Microscope
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|publisher=National Institute of Standards and Technology
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|date=1997年11月|accessdate=2008-01-11
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}}</ref><ref>{{cite web
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|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/index.html
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|title=The Nobel Prize in Physics 1986
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|publisher=The Nobel Foundation
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|accessdate=2008-01-11 }}—in particular, see the Nobel lecture by G. Binnig and H. Rohrer.</ref>
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当原子失去一个电子时，该原子就被[[电离]]了。这一个多余的电荷就使其在磁场中运行的轨迹发生偏折。这个偏转角度是由原子的质量所决定的。[[质谱|质谱仪]]就利用了这个原理来测定离子的[[荷质比|质荷比]]。如果一个样品里面有多种同位素，质谱可以通过测量不同离子束的强度来推导每一种同位素的比例。使原子气化的技术包括[[电感藕合等离子体原子发射光谱]]以及[[电感藕合等离子体质谱法]]。这两种技术都使用了气态或等离子态的样品。<ref>{{cite journal
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|first=N. |last=Jakubowski
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|coauthors= Moens, L.; Vanhaecke, F
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|title= Sector field mass spectrometers in ICP-MS
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|journal= Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy
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|volume= 53 |issue= 13 |year=1998|doi=10.1016/S0584-8547(98)00222-5 |pages= 1739–63|bibcode= 1998AcSpe..53.1739J }}</ref>
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另外一个有局限性的方法是[[电子能量损失谱]]，它是通过测量透射电子显微镜中电子束穿越一个样品后所损失的能量。{{le|原子探针|Atom probe|原子探针显像}}具有三维亚纳米级的分辨率，也可以通过{{le|飞行时间质谱仪|Time-of-flight mass spectrometry}}来鉴定单个的原子。<ref>{{cite journal
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|last=Müller |first=Erwin W.
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|authorlink=Erwin Müller
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|coauthors=[[J. A. Panitz|Panitz, John A.]], [[S. Brooks McLane|McLane, S. Brooks]]
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|year=1968|title=The Atom-Probe Field Ion Microscope
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|journal=[[Review of Scientific Instruments]]
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|volume=39 |issue=1 |pages=83–86
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|issn=0034-6748 |doi=10.1063/1.1683116 |bibcode= 1968RScI...39...83M }}</ref>
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[[激发态]]光谱可以用来研究远距离[[恒星]]的元素组成。通过观测到的来自恒星的光谱中一些特殊的波长，可以得到气体状态下原子的量子转变。使用同种元素的[[气体放电灯]]，可以得到相同的颜色。<ref>{{cite web
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|last=Lochner |first=Jim
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|coauthors=Gibb, Meredith; Newman, Phil
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|date=2007-04-30|url=http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/how_l1/spectral_what.html
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|title=What Do Spectra Tell Us?
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|publisher=NASA/Goddard Space Flight Center
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|accessdate=2008-01-03 }}</ref>[[氦]]元素就是通过这种手段在[[太阳]]的光谱中被发现的，比在地球上发现早了23年。<ref>{{cite web
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|last=Winter |first=Mark |year=2007|url=http://www.webelements.com/webelements/elements/text/He/hist.html
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|title=Helium |publisher=WebElements
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|accessdate=2008-01-03 }}</ref>
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== 起源和现状 ==
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=== 核合成 ===
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稳定的质子和电子在[[大爆炸理论|大爆炸]]后的一秒钟内出现。在接下来的三分钟之内，[[太初核合成]]产生了宇宙中大部分的[[氦]]、[[锂]]和[[氘]]，有可能也产生了一些[[铍]]和[[硼]]。<ref>{{cite journal
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|last=Croswell
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|first=Ken
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|title=Boron, bumps and the Big Bang: Was matter spread evenly when the Universe began? Perhaps not; the clues lie in the creation of the lighter elements such as boron and beryllium
 +
|journal=New Scientist
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|year=1991
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|issue=1794
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|pages=42
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|url=http://space.newscientist.com/article/mg13217944.700-boron-bumps-and-the-big-bang-was-matter-spread-evenly-whenthe-universe-began-perhaps-not-the-clues-lie-in-the-creation-of-thelighter-elements-such-as-boron-and-beryllium.html
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|accessdate=2008-01-14
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|archiveurl=https://web.archive.org/web/20080207065342/http://space.newscientist.com/article/mg13217944.700-boron-bumps-and-the-big-bang-was-matter-spread-evenly-whenthe-universe-began-perhaps-not-the-clues-lie-in-the-creation-of-thelighter-elements-such-as-boron-and-beryllium.html
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|archivedate=2008-02-07
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}}</ref><ref>{{cite journal
 +
|last=Copi |first=Craig J.
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|coauthors=Schramm, David N.; Turner, Michael S
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|title=Big-Bang Nucleosynthesis and the Baryon Density of the Universe
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|journal=Science |year=1995|volume=267 |pages=192–99
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|url=http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/267/5195/192.pdf
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|doi= 10.1126/science.7809624
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|format=PDF |accessdate=2008-01-13 |pmid=7809624
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|arxiv= astro-ph/9407006 |bibcode= 1995Sci...267..192C }}</ref><ref>{{cite web
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|last=Hinshaw |first=Gary |date=2005-12-15|url=http://map.gsfc.nasa.gov/m_uni/uni_101bbtest2.html
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|title=Tests of the Big Bang: The Light Elements
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|publisher=NASA/WMAP |accessdate=2008-01-13
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}}</ref>在理论上，最初的原子（有束缚的电子）是在大爆炸后大约38万年产生的，这个时代称为[[宇宙时间表|重新结合]]，在这时宇宙已经冷却到足以使电子与原子核结合了。<ref>{{cite web
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|date=2007-05-30
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|url=http://www.haydenplanetarium.org/universe/duguide/exgg_wmap.php
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|title=Microwave (WMAP) All-Sky Survey
 +
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}}</ref>自从那时候开始，原子核就开始在[[恒星]]中通过[[核聚变]]的过程结合，产生直到铁的元素。<ref>{{cite journal
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|title=The synthesis of the elements from hydrogen
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|author= F. Hoyle
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|journal= [[Monthly Notices of the Royal Astronomical Society]]
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|volume= 106 |pages= 343–83 |year=1946|url=http://adsabs.harvard.edu/abs/1946MNRAS.106..343H
 +
|accessdate=2008-01-13 |bibcode= 1946MNRAS.106..343H }}</ref>
 +
 
 +
像锂-6那样的同位素是在太空中通过[[宇宙射线散裂]]产生的。<ref>{{cite journal
 +
|last=Knauth |first=D. C.
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|coauthors=Federman, S. R.; Lambert, David L.; Crane, P.
 +
|title=Newly synthesized lithium in the interstellar medium
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|journal=[[自然|Nature]] |year=2000|volume=405 |pages=656–58
 +
|doi=10.1038/35015028 }}</ref>这种现象在高能量的质子撞击原子核时会发生，造成大量核子被射出。比铁重的元素在[[超新星]]中通过[[r-过程|r-过程]]产生，或在[[渐近巨星分支|AGB星]]中通过[[s-过程|s-过程]]产生，两种过程中都有中子被原子核捕获。<ref>{{cite web
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|last=Mashnik |first=Stepan G.
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|title=On Solar System and Cosmic Rays Nucleosynthesis and Spallation Processes
 +
|url=http://arxiv.org/abs/astro-ph/0008382
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|date=2000年8月|publisher=Cornell University
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|accessdate=2008-01-14 }}</ref>像[[铅]]那样的元素，大都是从更重的元素通过[[放射性衰变|核衰变]]产生的。<ref>{{cite web
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|author=Kansas Geological Survey |date=2005-05-04|url=http://www.kgs.ku.edu/Extension/geotopics/earth_age.html
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|title=Age of the Earth |publisher=University of Kansas
 +
|accessdate=2008-01-14 }}</ref>
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=== 地球 ===
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大部分组成地球及其居民的原子，都是在太阳系刚形成的时候就已经存在了。还有一部分的原子是核衰变的结果，它们的相对比例可以用来通过[[放射性定年法]]决定[[地球的年龄]]。<ref name = "Manuel_2001">Manuel (2001:407–430,511–519).</ref><ref>{{cite journal
 +
|last=Dalrymple |first=G. Brent
 +
|title=The age of the Earth in the twentieth century: a problem (mostly) solved
 +
|journal=Geological Society, London, Special Publications
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|year=2001|volume=190 |pages=205–21
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|doi=10.1144/GSL.SP.2001.190.01.14
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|url=http://sp.lyellcollection.org/cgi/content/abstract/190/1/205
 +
|accessdate=2008-01-14 |bibcode= 2001GSLSP.190..205D }}</ref>大部分地壳中的[[氦]]都是[[α衰变]]的产物。<ref>{{cite web
 +
|last=Anderson |first=Don L.
 +
|authorlink=Don L. Anderson
 +
|coauthors=Foulger, G. R.; Meibom, Anders
 +
|date=2006-09-02|url=http://www.mantleplumes.org/HeliumFundamentals.html
 +
|title=Helium: Fundamental models
 +
|publisher=MantlePlumes.org |accessdate=2007-01-14 }}</ref>
 +
 
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地球上有很少的原子既不是在一开始就存在的，也不是放射性衰变的结果。[[碳-14]]是大气中的宇宙射线所产生的。<ref>{{cite news
 +
|last=Pennicott |first=Katie |date=2001-05-10|title=Carbon clock could show the wrong time
 +
|publisher=PhysicsWeb
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|url=http://physicsworld.com/cws/article/news/2676
 +
|accessdate=2008-01-14 }}</ref>有些地球上的原子是核反应堆或核爆炸的产物，要么是特意制造的，要么是副产物。<ref>{{cite news
 +
|last        = Yarris
 +
|first      = Lynn
 +
|date        = 2001-07-27
 +
|title      = New Superheavy Elements 118 and 116 Discovered at Berkeley Lab
 +
|publisher  = Berkeley Lab
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|url        = http://enews.lbl.gov/Science-Articles/Archive/elements-116-118.html
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|archivedate = 2008-01-09
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}}</ref><ref>{{cite journal
 +
|author=Diamond, H. ''et al''
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|title=Heavy Isotope Abundances in Mike Thermonuclear Device
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|journal=Physical Review
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|year=1960|volume=119
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|url=http://prola.aps.org/abstract/PR/v119/i6/p2000_1
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|doi=10.1103/PhysRev.119.2000
 +
|format=subscription required |bibcode= 1960PhRv..119.2000D }}</ref>在所有[[超铀元素]]──原子序数大于92的元素中，只有[[钚]]和[[镎]]在地球中自然出现。<ref>{{cite web
 +
|author=Poston Sr., John W.
 +
|date=1998-03-23
 +
|title=Do transuranic elements such as plutonium ever occur naturally?
 +
|publisher=Scientific American
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}}</ref><ref>{{cite journal
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|last=Keller |first=C.
 +
|title=Natural occurrence of lanthanides, actinides, and superheavy elements
 +
|journal=Chemiker Zeitung
 +
|year=1973|volume=97 |issue=10 |pages=522–30
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|url=http://www.osti.gov/energycitations/product.biblio.jsp?osti_id=4353086
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|accessdate=2008-01-15 }}</ref>超铀元素的寿命比地球现在的年龄短<ref>Marco (2001:17).</ref>，因此许多这类的元素都早已衰变了，只有微量的[[钚-244]]例外<ref name = "Manuel_2001"/>。钚和镎的自然矿藏是在铀矿中通过[[中子俘获]]产生的。<ref>{{cite web
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地球含有大约1.33x10<sup>50</sup>个原子。<ref>{{cite web
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|accessdate=2008-01-16 }}</ref>在地球的大气层中，含有少量的[[稀有气体|惰性气体]]原子，例如[[氩]]和[[氖]]。大气层剩下的99%的部分，是以分子的形式束缚的，包括[[二氧化碳]]、[[双原子分子|双原子]]的[[氧气]]和[[氮|氮气]]。在地球的表面上，原子结合并形成了各种各样的化合物，包括[[水]]、[[盐 (化学)|盐]]、[[硅酸盐|硅酸盐]]和[[氧化物]]。原子也可以结合起来组成不含独立分子的物质，包括[[晶体]]和液态或固态[[金属]]。<ref>{{cite web
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=== 罕见和理论形式 ===
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虽然原子序数大于82（[[铅]]）的元素已经知道是放射性的，但是对于原子序数大于103的元素，提出了“[[稳定岛]]”的概念。在这些[[超重元素]]中，可能有一个原子核相对来说比其它原子核稳定。<ref>{{cite journal
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每一个粒子都有一个对应的[[反物质]]粒子，电荷相反。因此，[[正电子|正电子]]就是带有正电荷的反电子，反质子就是与质子对等，但带有负电荷的粒子。不知道什么原因，在宇宙中反物质是非常稀少的，因此在自然界中没有发现任何反原子。<ref>{{cite news
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|last=Koppes |first=Steve |date=1999-03-01|title=Fermilab Physicists Find New Matter-Antimatter Asymmetry
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}}</ref><ref>{{cite news
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}}</ref>然而，1996年，在[[日内瓦]]的[[欧洲核子研究中心]]，首次合成了[[反氢|反氢]]──氢的反物质。<ref>{{cite journal
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|title=Particle physics: Cold antihydrogen
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}}</ref><ref>{{cite news
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|author=Staff |date=2002-10-30|title=Researchers 'look inside' antimatter |publisher=BBC News
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把原子中的质子、中子或电子用相等电荷的其它粒子代替，可以形成[[奇异原子]]。例如，可以把电子用质量更大的[[μ子|缈子]]代替，形成[[缈子原子]]。这些类型的原子可以用来测试物理学的基本预言。<ref>{{cite journal
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|title=The Strange World of the Exotic Atom
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|title=Exotic Atoms |journal=[[Physica Scripta]]
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|last=Ripin |first=Barrett H. |date=1998年7月|url=http://www.aps.org/publications/apsnews/199807/experiment.cfm
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|title=Recent Experiments on Exotic Atoms
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== 参阅 ==
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* [[元素]]
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* [[元素周期表]]
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* [[原子物理学]]
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* [[电子排布]]
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* [[电子|电子]]
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=== 引用 ===
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=== 书籍 ===
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== 外部链接 ==
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* [http://www.kepu.net.cn/gb/technology/nuclear/index.html 中国科普博览──核能博物馆]，[[中国科学院]]主编。
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* [http://live-counter.com/cn/others/number-of-atoms-in-a-drop-of-water/ 一滴水中的原子]
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* {{en}} {{cite web
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於 2022年10月6日 (四) 10:16 的最新修訂

氦原子
[[atom QM.svg|300px|right|氦原子基態]]
氦原子結構示意圖。圖中灰階顯示對應電子雲於1s原子軌域之機率密度函數的積分強度。而原子核僅為示意，質子以粉紅色、中子以紫色表示。事實上，原子核（與其中之核子的波函數）也是球型對稱的。 （對於更複雜的原子核則非如此）
分類
化學元素可分割的最小單元
性質
質量： ≈ 1.67 × 10-27至4.52 × 10-25 kg
電荷： 0（當原子的電子數與質子數相等時）
直徑：（|元素的原子半徑(數據頁)|Atomic radii of the elements (data page)|數據頁） 50 pm（H）至520 pm（Cs）
可觀測宇宙中的原子總數： ~1080 [1]

原子(英語: atom)，是元素能保持其化學性質的最小單位。一個正原子包含有一個緻密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負電的電子。而負原子的原子核帶負電，周圍的負電子帶「正電」。正原子的原子核由帶正電的質子和電中性的中子組成。負原子原子核中的反質子帶負電，從而使負原子的原子核帶負電。當質子數與電子數相同時，這個原子就是電中性的；否則，就是帶有正電荷或者負電荷的離子。根據質子和中子數量的不同，原子的類型也不同：質子數決定了該原子屬於哪一種元素，而中子數則確定了該原子是此元素的哪一個同位素。

原子的英文名（Atom）是從希臘語ἄτομος（atomos，「不可切分的」）轉化而來。很早以前，希臘和印度的哲學家就提出了原子的不可切分的概念。 17和18世紀時，化學家發現了物理學的根據：對於某些物質，不能通過化學手段將其繼續的分解。 19世紀晚期和20世紀早期，物理學家發現了亞原子粒子以及原子的內部結構，由此證明原子並不是不能進一步切分。 量子力學原理能夠為原子提供很好的模型。 [2][3]

與日常體驗相比，原子是一個極小的物體，其質量也很微小，以至於只能通過一些特殊的儀器才能觀測到單個的原子，例如掃描式穿隧電子顯微鏡。原子的99.9%的重量集中在原子核，[4]其中的亞原子和中子有著相近的質量。每一種元素至少有一種不穩定的同位素，可以進行放射性衰變。這直接導致核轉化，即亞原子核中的中子數或質子數發生變化。 [5]原子佔據一組穩定的能級，或者稱為軌道。當它們吸收和放出​​中子的時候，中子也可以在不同能級之間跳躍，此時吸收或放出原子的能量與能級之間的能量差相等。電子決定了一個元素的化學屬性，並且對中子的磁性有著很大的影響。

歷史

大約在兩千五百年前，希臘哲學家對物質的組成問題爭論不休。原子派認為物質在被無數次地分割之後，最終會小到無法分割。原子（atom）一詞源自希臘語，意思是『不可分割』。在1803年到1807年之間，英國化學家道耳頓發展了這些觀點並將它用在它的原子學說中。他相信原子既不能被創造也不能被消滅。任何一個元素里所含的原子都是一樣的。

關於物質是由離散單元組成且能夠被任意的分割的概念流傳了幾千年，但這些想法只是基於抽象的、哲學的推理，而非實驗和實證觀察。隨着時間的推移以及文化及學派的轉變，哲學上原子的性質也有着很大的改變而這種改變往往還帶有一些精神因素。儘管如此，對於原子的基本概念在數千年後仍然被化學家們採用，因為它能夠很簡潔地闡述一些化學界的新發現。[6]

原子論

原子論（英語：Atomism，來自古希臘語ἄτομον，atomos，含義為「不可分割」[7]）是在一些古代傳統中發展出的一種自然哲學。原子論者將自然世界理論化為由兩基本部分所構成：不可分割的原子和空無的虛空（void）。

依據亞里士多德引述，原子是不可構造的和永恆不變的，並且形狀和大小有無窮的變化。它們在空無（empty）中移動，相互碰離，有時變成與一個或多個其他原子相鈎結而形成聚簇（cluster）。不同形狀、排列和位置的聚簇引起世界上各種宏觀物質（substance）。

對原子概念的記述可以上溯到古印度和古希臘。有人將印度的耆那教的原子論認定為開創者大雄在公元前6世紀提出，並將與其同時代的彼浮陀伽旃延和順世派先驅阿夷陀翅舍欽婆羅的元素思想也稱為原子論。正理派和勝論派後來發展出了原子如何組合成更複雜物體的理論。在西方，對原子的記述出現在公元前5世紀留基伯和德謨克利特的著作中。對於印度文化影響希臘還是反之，亦或二者獨立演化是存在爭議的。

科學理論

直到化學作為一門科學開始發展的時候，對原子才有了更進一步的理解。1661年，自然哲學家羅伯特·波義耳出版了《懷疑的化學家》一書，書中他聲稱物質是由不同的「微粒」或原子自由組合構成的，而並不是由諸如氣、土、火、水等基本元素構成。[8]1789年，既是法國貴族，又是科學研究者的拉瓦錫定義了元素一詞，從此，元素就用來表示化學變化中的最小的單位。[9]

現代原子理論

道耳吞的理想沒有涉及原子內部結構。隨後，在1897年，第一個亞原子粒子--電子，被發現。1911年，英國物理學家盧瑟福發現每一個原子都含有一個比重很大並且帶正電的原子核，他隨後在1919年發現了原子核內部帶正電的質子。1932年不帶電的中子又被英國物理學家查德威克發現。現代化學認為原子由原子核及繞核旋轉的電子構成。原子核中含有許多質子和中子。質子和中子要比電子重約1836倍。質子的帶電量是一個單位的正電荷，電子是一個單位的負電荷，中子不帶電。

1803年，英語教師及自然哲學家約翰·道爾頓用原子的概念解釋了為什麼不同元素總是呈整數倍反應，即倍比定律；也解釋了為什麼某些氣體比另外一些更容易溶於水。他提出每一種元素只包含唯一一種原子，而這些原子相互結合起來就形成了化合物。[10][11]

1827年，英國植物學家羅伯特·布朗在使用顯微鏡觀察水面上花粉的時候，發現它們進行着不規則運動，進一步證明了微粒學說。後來，這一現象被稱為為布朗運動。德紹兒克思在1877年提出這種現象是由於水分子的熱運動而導致的。1905年，愛因斯坦提出了第一個數學分析的方法，證明了這個猜想。[12][13][14]

在關於陰極射線的工作中，物理學家約瑟夫·湯姆孫發現了電子以及它的亞原子特性，粉碎了一直以來認為原子不可再分的設想。[15]湯姆孫認為電子是平均的分布在整個原子上的，就如同散布在一個均勻的正電荷的海洋之中，它們的負電荷與那些正電荷相互抵消。這也叫做梅子布丁模型。

然而，在1909年，在物理學家盧瑟福的指導下，研究者們用氦離子轟擊金箔。他們意外的發現有很小一部分離子的偏轉角度遠遠大於使用湯姆孫假設所預測值。盧瑟福根據這個金箔實驗的結果提出原子中大部分質量和正電荷都集中在位於原子中心的原子核當中，電子則像行星圍繞太陽一樣圍繞着原子核。帶正電的氦離子在穿越原子核附近時，就會被大角度的反射。[16]

1913年，在進行有關對放射性衰變產物的實驗中，放射化學家弗雷德里克·索迪發現對於元素周期表中的每個位置，不僅僅只有一種原子。[17] 瑪格麗特·陶德創造了同位素一詞，來表示同一種元素中不同種類的原子。在進行關於離子氣體的研究過程中，湯姆孫發明了一種新技術，可以用來分離不同的同位素，最終導致了穩定同位素的發現。[18]

與此同時，物理學家玻爾重新審視了盧瑟福的模型，他認為電子應該位於確定的軌道之中，並且能夠在不同軌道之間跳躍，而不是像先前認為那樣可以自由的向內或向外移動。電子在這些固定軌道間跳躍時，必須吸收或者釋放特定的能量。[19]當熱源產生的一束光穿過稜鏡時，能夠產生一個多彩的光譜。應用軌道躍遷的理論就能夠很好的解釋光譜中存在的位置不變的線條。[20]

1916年，吉爾伯特·路易斯發現化學鍵的本質就是兩個原子間電子的相互作用。[21]眾所周之，元素的化學性質按照周期律反覆的循環。[22]1919年，美國化學家歐文·朗繆爾提出原子中的電子以某種性質相互連接或者說相互聚集。一組電子占有一個特定的電子層。[23]

1926年，薛定諤使用路易·德布羅意於1924年提出的波粒二象性的假說，建立了一個原子的數學模型，用來將電子描述為一個三維波形。使用波形來描述電子的一個直接後果就是在數學上不能夠同時得到位置和動量的精確值，1926年，海森堡建立了相關的方程，這也就是後來著名的不確定性原理。這個概念描述的是，對於測量的某個位置，只能得到一個不確定的動量範圍，反之亦然。儘管這個模型很難想象，但它能夠解釋一些以前觀測到卻不能解釋的原子的性質，例如比氫更大的原子的譜線。因此，人們不再使用原子的行星模型，而更傾向於將原子軌道視為電子存在概率的區域。[24][25]

質譜的發明使得科學家可以直接測量原子的淮確質量。該設備通過使用一個磁體來彎曲一束離子，而偏轉量取決於原子的質荷比。弗朗西斯·阿斯頓使用質譜證實了同位素有着不同的質量，並且同位素間的質量差都為一個整數，這被稱為整數規則。[26]1932年，詹姆斯·查德威克發現了中子，解釋了這一個問題。中子是一種中性的粒子，質量與質子相仿。同位素則被重新定義為有着相同質子數與不同中子數的元素。[27]

1950年代，隨着粒子加速器及粒子探測器的發展，科學家們可以研究高能粒子間的碰撞。[28]他們發現中子和質子是強子的一種，由更小的夸克微粒構成。核物理的標淮模型也隨之發展，能夠成功的在亞原子水平解釋整個原子核以及亞原子粒子之間的相互作用。[29]

1985年左右，朱棣文及其同事在貝爾實驗室開發了一種新技術，能夠使用激光來冷卻原子。威廉·丹尼爾·菲利普斯團隊設法將鈉原子置於一個磁阱中。這兩個技術加上由克洛德·科昂-唐努德日團隊基於多普勒效應開發的一種方法，可以將少量的原子冷卻至微開爾文的溫度範圍，這樣就可以對原子進行很高精度的研究，這也直接導致了玻色-愛因斯坦凝聚的發現。[30]

歷史上，因為單個原子過於微小，被認為不能夠進行科學研究。最近，科學家已經成功使用一單個金屬原子與一個有機配體連接形成一個單電子晶體管。[31]在一些實驗中，通過激光冷卻的方法將原子減速並捕獲，這些實驗能夠帶來對於物質更好的理解。[32]

原子的組成

亞原子粒子

儘管原子的英文名稱（atom）本意是不能被進一步分割的最小粒子，但是在現代科學領域，原子實際上包含了很多不同的亞原子粒子。它們分別是電子，質子和中子。氫原子和帶一個正電荷的氫離子例外，前者沒有中子，後者只有一個質子。

質子帶有一個正電荷，質量是電子質量的1836倍，為1.6726×10−27kg，然而部分質量可以轉化為原子結合能。中子不帶電荷，自由中子的質量是電子質量的1839倍，為1.6929×10−27kg。[33]中子和質子的尺寸相仿，均在2.5×10−15m這一數量級，但它們的表面並沒能精確定義。[34]

在物理學標淮模型理論中，質子和中子都由名叫夸克的基本粒子構成。夸克是費米子的一種，也是構成物質的兩個基本組分之一。另外一個基本組份被稱作是輕子，電子就是輕子的一種。夸克共有六種，每一種都帶有分數的電荷，不是+2/3就是-1/3。質子就是由兩個上夸克和一個下夸克組成，而中子則是由一個上夸克和兩個下夸克組成。這個區別就解釋了為什麼中子和質子電荷和質量均有差別。夸克由強相互作用結合在一起的，由膠子作為中介。膠子是規範玻色子的一員，是一種用來傳遞力的基本粒子。[35][36]

原子核

原子中所有的質子和中子結合起來就形成了一個很小的原子核，它們一起也可以被稱為核子。原子核的半徑約等於<math>\begin{smallmatrix}1.07 \cdot \sqrt[3]{A}\end{smallmatrix}</math> fm其中A是核子的總數。[37]原子半徑的數量級大約是105fm，因此原子核的半徑遠遠小於原子的半徑。核子被能在短距離上起作用的殘留強力束縛在一起。當距離小於2.5fm的時候，強力遠遠大於靜電力，因此它能夠克服帶正電的質子間的相互排斥。[38]

同種元素的原子帶有相同數量的質子，這個數也被稱作原子序數。而對於某種特定的元素，中子數是可以變化的，這也就決定了該原子是這種元素的哪一種同位素。質子數量和中子數量決定了該原子是這種元素的哪一種核素。中子數決定了該原子的穩定程度，一些同位素能夠自發進行放射性衰變。[39]

中子和質子都是費米子的一種，根據量子力學中的泡利不相容原理，不可能有完全相同的兩個費米子同時擁有一樣量子物理態。因此，原子核中的每一個質子都占用不同的能級，中子的情況也與此相同。不過泡利不相容原理並沒有禁止一個質子和一個中子擁有相同的量子態。

如果一個原子核的質子數和中子數不相同，那麼該原子核很容易發生放射性衰變到一個更低的能級，並且使得質子數和中子數更加相近。因此，質子數和中子數相同或很相近的原子更加不容易衰變。然而，當原子序數逐漸增加時，因為質子之間的排斥力增強，需要更多的中子來使整個原子核變的穩定，所以對上述趨勢有所影響。因此，當原子序數大於20時，就不能找到一個質子數與中子數相等而又穩定的原子核了。隨着Z的增加，中子和質子的比例逐漸趨於1.5。

原子核中的質子數和中子數也是可以變化的，不過因為它們之間的力很強，所以需要很高的能量，當多個粒子聚集形成更重的原子核時，就會發生核聚變，例如兩個核之間的高能碰撞。在太陽的核心，質子需要3-10KeV的能量才能夠克服它們之間的相互排斥，也就是庫侖障壁，進而融合起來形成一個新的核。[40]與此相反的過程是核裂變，在核裂變中，一個核通常是經過放射性衰變，分裂成為兩個更小的核。使用高能的亞原子粒子或光子轟擊也能夠改變原子核。如果在一個過程中，原子核中質子數發生了變化，則此原子就變成了另外一種元素的原子了。[41][42]

如果核聚變後產生的原子核質量小於聚變前原子質量的總和，那麼根據愛因斯坦的質能方程，這一些質量的差就作為能量被釋放了。這個差別實際是原子核之間的結合能。[43]

對於兩個原子序數在鐵或鎳之前的原子核來說，它們之間的核聚變是一個放熱過程，也就是說過程釋放的能量大於將它們連在一起的能量。[44]正是因為如此，才確保了恆星中的核聚變能夠自我維持。對於更重一些的原子來說，結合能開始減少，也就是說它們的核聚變會是一個吸熱過程。因此，這些更重的原子不能夠進行產能的核聚變，也就不能夠維持恆星的流體靜力平衡。[45]

電子云

在一個原子中，電子和質子因為電磁力而相互吸引，也正是這個力將電子束縛在一個環繞着原子核的靜電位勢阱中，要從這個勢阱中逃逸則需要外部的能量。電子離原子核越近，吸引力則越大。因此，與外層電子相比，離核近的電子需要更多能量才能夠逃逸。

原子軌道則是一個描述了電子在核內的概率分布的數學方程。在實際中，只有一組離散的（或量子化的）軌道存在，其他可能的形式會很快的坍塌成一個更穩定的形式。[46]這些軌道可以有一個或多個的環或節點，並且它們的大小，形狀和空間方向都有不同。[47]

每一個原子軌道都對應一個電子的能級。電子可以通過吸收一個帶有足夠能量的光子而躍遷到一個更高的能級。同樣的，通過自發輻射，在高能級態的電子也可以躍遷回一個低能級態，釋放出光子。這些典型的能量，也就是不同量子態之間的能量差，可以用來解釋原子譜線。

在原子核中除去或增加一個電子所需要的能量遠遠小於核子的結合能，這些能量被稱為電子結合能。例如：奪去氫原子中基態電子只需要13.6eV。[48]當電子數與質子數相等時，原子是電中性的。如果電子數大於或小於質子數時，該原子就會被稱為離子。原子最外層電子可以移動至相鄰的原子，也可以由兩個原子所共有。正是由於有了這種機理，原子才能夠鍵合形成分子或其他種類的化合物，例如離子或共價的網狀晶體。[49]

性質

核性質

根據定義，任意兩個有着相同質子數的原子屬於同一種元素，而有着相同質子數和不同中子數的則是同一種元素中不同的同位素。例如，所有的氫原子都只有一個質子，但氫原子的同位素有幾種，分別含有零個中子（氫-1，目前最常見的類型，有時也被稱為氕），一個中子（氘），兩個中子（氚）以及更多的中子。[50]原子序數從1（氫）到118（Uuo）均為已知元素。[51]對於所有原子序數大於82的同位素都有放射性。[52][53]

地球上自然存在約339種核素，其中255種是穩定的，約占總數79%。[54]80種元素含有一個或一個以上的穩定同位素。第43號元素、第61號元素及所有原子序數大於等於83的元素沒有穩定的同位素。有十六種元素只含有一個穩定的同位素，而擁有同位素最多的元素，錫，則有十個同位素。[55]

同位素的穩定性不只受到質子數與中子數之比的影響，也受到所謂幻數的影響，實際上幻數就代表了全滿的量子層。這些量子層對應於原子核層模型中一組能級。在已知的269種穩定核素中，只有四個核素同時有着奇數個質子和奇數個中子。它們分別是：2H, 6Li, 10B和14N；對於放射性核素來說，也只有四種奇-奇核素的半衰期超過了一億年：40K, 50V, 138La和180mTa。這是因為對於大多數奇-奇核素來說，很容易會發生β衰變，產生的更穩定的偶-偶核素。[55]

質量

因為原子質量的絕大部分是質子和中子的質量，所以質子和中子數量的總和叫做質量數。原子的靜止質量通常用統一原子質量單位（u）來表示，也被稱作道爾頓（Da）。這個單位被定義為電中性的碳12質量的十二分之一，約為1.6605565x10^-27千克。[56]氫最輕的一個同位素氕是最輕的原子，重量約為1.007825u。[57]一個原子的質量約是質量數與原子質量單位的乘積。[58]最重的穩定原子是鉛-208，[52]質量為207.9766521u。[59] 就算是最重的原子，化學家也很難直接對其進行操作，所以它們通常使用另外一個單位，摩爾。摩爾的定義是對於任意一種元素，一摩爾總是含有同樣數量的原子，約為6.022×1023。因此，如果一個元素的原子質量為1u，一摩爾該原子的質量就為0.001kg，也就是1克。例如，碳的原子質量是12u，一摩爾碳的質量則是0.012kg。[56]

大小

原子並沒有一個精確定義的最外層，只有當兩個原子形成化學鍵後，通過測量兩個原子核間的距離，才能夠得到原子半徑的一個近似值。影響原子半徑的因素很多，包括在元素周期表上的位置，化學鍵的類型，周圍的原子數（配位數）以及自旋。[60]在元素周期表中，原子的半徑變化的大體趨勢是自上而下增加，而從左至右減少。[61]因此，最小的原子是氦，半徑為32pm；最大的原子是銫，半徑為225pm。[62]因為這樣的尺寸遠遠小於可見光的波長（約400-700nm），所以不能夠通過光學顯微鏡來觀測它們。然而，使用掃描隧道顯微鏡我們能夠觀察到單個原子。

可以看到：原子的體積很小。一根人的頭髮的直徑大約是一百萬個原子。[63]一滴水則大約有二十米（2×1021）個氧原子以及兩倍的氫原子。[64]一克拉鑽石重量為2×10-4kg，含有約100垓個碳原子。[65]如果蘋果被放大到地球的大小，那麼蘋果中的原子大約就有原來蘋果那麼大了。[66]

放射性

每一種元素都有一個或多個同位素擁有不穩定的原子核，從而能發生放射性衰變，在這個過程中，原子核可以釋放出粒子或電磁輻射。當原子核的半徑大於強力的作用半徑時，放射性衰變就可能發生，而強力的作用半徑僅為幾飛米。[67]

最常見的放射性衰變如下：[68][69]

  • α衰變：原子核釋放一個α粒子，即含有兩個質子和兩個中子的氦原子核。衰變的結果是產生一個原子序數低一些的新元素。
  • β衰變：弱相互作用的現象，過程中一個中子轉變成一個質子或者一個質子轉變成一個中子。前者伴隨着一個電子和一個反中微子的釋放，後者則釋放一個正電子和一個中微子。所釋放的電子或正電子被叫做β粒子。因此，β衰變能夠使得該原子的原子序數增加或減少一。
  • γ衰變：原子核的能級降低，釋放出電磁波輻射，通常在釋放了α粒子或β粒子後發生。

其它比較罕見的放射性衰變還包括：釋放中子或質子，釋放核子團或電子團，通過內轉換產生高速的電子而非β射線以及高能的光子而非伽馬射線。

每一個放射性同位素都有一個特徵衰變期間，即半衰期。半衰期就是一半樣品發生衰變所需要的時間。這是一種指數衰變，即樣品在每一個半衰期內恆定的衰變50%，換句話說，當兩次半衰期之後，就只剩下25%的起始同位素了。

磁矩

基本微粒都有一個固有性質，就像在宏觀物理中圍繞質心旋轉的物體都有角動量一樣，在量子力學中被叫做自旋。但是嚴格來說，這些微粒僅僅是一些點，不能夠旋轉。自旋的單位是約化普朗克常數（<math>\hbar</math>），電子、質子和中子的自旋都是½<math>\hbar</math>。在原子裡，電子圍繞原子核運動，所以除了自旋，它們還有軌道角動量。而對於原子核來說，軌道角動量是起源於自身的自旋。[70]

正如一個旋轉的帶電物體能夠產生磁場一樣，一個原子所產生的磁場，即它的磁矩，就是由這些不同的角動量決定的。然後，自旋對它的影響應該是最大的。因為電子的一個性質就是要符合泡利不相容原理，即不能有兩個位於同樣量子態的電子，所以當電子成對時，總是一個自旋朝上而另外一個自旋朝下。這樣，它們產生的磁場相互抵消。對於某些帶有偶數個電子的原子，總的磁偶極矩會被減少至零。[71]

對於鐵磁性的元素，例如鐵，因為電子總數為奇數，所以會產生一個淨磁矩。同時，因為相鄰原子軌道重迭等原因，當未成對電子都朝向同一個方向時，體系的總能量最低，這個過程被稱為交換相互作用。當這些鐵磁性元素的磁動量都統一朝向後，整個材料就會擁有一個宏觀可以測量的磁場。順磁性材料中，在沒有外部磁場的情況下，原子磁矩都是隨機分布的；施加了外部磁場以後，所有原子都會統一朝向，產生磁場。[72][71]

原子核也可以存在淨自旋。由於熱平衡，通常這些原子核都是隨機朝向的。但對於一些特定元素，例如氙-129，一部分核自旋也是可能被極化的，這個狀態被叫做超極化，在核磁共振成像中有很重要的應用。[73][74]

能阶;zh-hk:级;zh-sg:级;zh-mo:级

原子中，電子的勢能與它離原子核的距離成反比。測量電子的勢能，通常的測量將讓該電子脫離原子所需要的能量，單位是電子伏特（eV）。在量子力學模型中，電子只能占據一組以原子核為中心的狀態，每一個狀態就對應於一個能級。最低的能級就被叫做基態，而更高的能級就被叫做激發態。[75]

電子要在兩個能級之間躍遷的前提是它要吸收或者釋放能量，該能量還必須要和這兩個能級之間的能量差一致。因為釋放的光子能量只與光子的頻率有關，並且能級是不連續的，所以在電磁波譜中就會出現一些不連續的帶。[76]每一個元素都有一個特徵波譜，特徵波譜取決於核電荷的多少，電子的填充情況，電子間的電磁相互作用以及一些其他的因素。[77]

當一束全譜的光經過一團氣體或者一團等離子體後，一些光子會被原子吸收，使得這些原子內的電子躍遷。而在激發態的電子則會自發的返回低能態，能量差作為光子被釋放至一個隨機的方向。前者就使那些原子有了類似於濾鏡的功能，觀測者在最後接收到的光譜中會發現一些黑色的吸收能帶。而後者能夠使那些與光線不在同一條直線上的觀察者觀察到一些不連續的譜線，實際就是那些原子的發射譜線。對這些譜線進行光譜學測量就能夠知道該物質的組成以及物理性質。[78]

在對譜線進行了細緻的分析後，科學家發現一些譜線有着精細結構的裂分。這是因為自旋與最外層電子運動間的相互作用，也被稱作自旋-軌道藕合。[79]當原子位於外部磁場中時，譜線能夠裂分成三個或多個部分，這個現象被叫做塞曼效應，其原因是原子的磁矩及其電子與外部磁場的相互作用。一些原子擁有許多相同能級電子排布，因而只產生一條譜線。當這些原子被安置在外部磁場中時，這幾種電子排布的能級就有了一些細小的區別，這樣就出現了裂分。[80]外部電場的存在也能導致類似的現象發生，被成為斯塔克效應。[81]

如果一個電子在激發態，一個有着恰當能量的光子能夠使得該電子受激輻射，釋放出一個擁有相同能量的光子，其前提就是電子返回低能級所釋放出來的能量必須要與與之作用的光子的能量一致。此時，受激釋放的光子與原光子向同一個方向運動，也就是說這兩個光子的波是同步的。利用這個原理，人們設計出了激光，用來產生一束擁有很窄頻率相干光源。[82]

化合價

單個原子的電子層最外層一般被稱為價層，其中的電子被稱為價電子。價電子的個數決定了這個原子與其他原子成鍵的性質。原子能發生化學反應的一個統一的趨勢是使得其價層全滿或者全空。[83]

化學元素通常被寫在一個化學周期表中，用來表明它們有周期重複的一些化學性質。通常，擁有相同數量價電子的元素形成一組，在元素周期表中占相同的一列。而元素周期表中的橫排則與量子層的電子填充情況相對應。周期表最右邊的元素價層都是全滿的，因此它們在化學反應中表現出一定的惰性，被成為惰性氣體。[84][85]

態

物質很多不同的相態之中都存在原子，這些相態都由一定的物理條件所決定，例如溫度與壓強。通過改變這些條件，物質可以在固體、液體、氣體與等離子體之間轉換。[86]在同一種相態中，物質也可以有不同的形態，例如固態的碳就有石墨和金剛石兩種形態。[87]

當溫度很靠近絕對零度時，原子可以形成玻色-愛因斯坦凝聚態。[88][89]這些超冷的原子可以被視為一個超原子，使得科學家可以研究量子力學的一些基本原理。[90]

測定

掃描隧道顯微鏡是用來在原子水平觀測物體表面的一種儀器。它利用了量子穿隧效應，使得電子能夠穿越一些平時不能夠克服的障礙。在操作中，電子能夠隧穿介於兩個平面金屬電極之間的真空。每一個電極表面吸附有一個原子，使得穿隧電流密度大到可以測量。保持電流恆定，隨着掃描的進行，可以得到一個探針末端的上下位移與橫向位移之間的關係圖。計算證明掃描隧道顯微鏡所得到的顯微圖像能夠分辨出單個原子。在低偏差的情況下，顯微圖像顯示的是對相近能級的電子軌道的一種空間平均後的尺寸，這些相近的能級也就是費米能中的局部態密度。[91][92]

當原子失去一個電子時，該原子就被電離了。這一個多餘的電荷就使其在磁場中運行的軌跡發生偏折。這個偏轉角度是由原子的質量所決定的。質譜儀就利用了這個原理來測定離子的質荷比。如果一個樣品裡面有多種同位素，質譜可以通過測量不同離子束的強度來推導每一種同位素的比例。使原子氣化的技術包括電感藕合等離子體原子發射光譜以及電感藕合等離子體質譜法。這兩種技術都使用了氣態或等離子態的樣品。[93]

另外一個有局限性的方法是電子能量損失譜，它是通過測量透射電子顯微鏡中電子束穿越一個樣品後所損失的能量。原子探針顯像（：Atom probe）具有三維亞納米級的分辨率，也可以通過飛行時間質譜儀（：Time-of-flight mass spectrometry）來鑑定單個的原子。[94]

激發態光譜可以用來研究遠距離恆星的元素組成。通過觀測到的來自恆星的光譜中一些特殊的波長，可以得到氣體狀態下原子的量子轉變。使用同種元素的氣體放電燈，可以得到相同的顏色。[95]氦元素就是通過這種手段在太陽的光譜中被發現的，比在地球上發現早了23年。[96]

起源和現狀

核合成

穩定的質子和電子在大爆炸後的一秒鐘內出現。在接下來的三分鐘之內，太初核合成產生了宇宙中大部分的氦、鋰和氘，有可能也產生了一些鈹和硼。[97][98][99]在理論上，最初的原子（有束縛的電子）是在大爆炸後大約38萬年產生的，這個時代稱為重新結合，在這時宇宙已經冷卻到足以使電子與原子核結合了。[100]自從那時候開始，原子核就開始在恆星中通過核聚變的過程結合，產生直到鐵的元素。[101]

像鋰-6那樣的同位素是在太空中通過宇宙射線散裂產生的。[102]這種現象在高能量的質子撞擊原子核時會發生，造成大量核子被射出。比鐵重的元素在超新星中通過r-過程產生，或在AGB星中通過s-過程產生，兩種過程中都有中子被原子核捕獲。[103]像鉛那樣的元素，大都是從更重的元素通過核衰變產生的。[104]

地球

大部分組成地球及其居民的原子，都是在太陽系剛形成的時候就已經存在了。還有一部分的原子是核衰變的結果，它們的相對比例可以用來通過放射性定年法決定地球的年齡。[105][106]大部分地殼中的氦都是α衰變的產物。[107]

地球上有很少的原子既不是在一開始就存在的，也不是放射性衰變的結果。碳-14是大氣中的宇宙射線所產生的。[108]有些地球上的原子是核反應堆或核爆炸的產物，要麼是特意製造的，要麼是副產物。[109][110]在所有超鈾元素──原子序數大於92的元素中，只有鈈和鎿在地球中自然出現。[111][112]超鈾元素的壽命比地球現在的年齡短[113]，因此許多這類的元素都早已衰變了，只有微量的鈈-244例外[105]。鈈和鎿的自然礦藏是在鈾礦中通過中子俘獲產生的。[114]

地球含有大約1.33x1050個原子。[115]在地球的大氣層中，含有少量的惰性氣體原子，例如氬和氖。大氣層剩下的99%的部分，是以分子的形式束縛的，包括二氧化碳、雙原子的氧氣和氮氣。在地球的表面上，原子結合併形成了各種各樣的化合物，包括水、鹽、硅酸鹽和氧化物。原子也可以結合起來組成不含獨立分子的物質，包括晶體和液態或固態金屬。[116][117]

罕見和理論形式

雖然原子序數大於82（鉛）的元素已經知道是放射性的，但是對於原子序數大於103的元素，提出了「穩定島」的概念。在這些超重元素中，可能有一個原子核相對來說比其它原子核穩定。[118]最有可能的穩定超重元素是Ubh，它有126 個質子和184 個中子。[119]

每一個粒子都有一個對應的反物質粒子，電荷相反。因此，正電子就是帶有正電荷的反電子，反質子就是與質子對等，但帶有負電荷的粒子。不知道什麼原因，在宇宙中反物質是非常稀少的，因此在自然界中沒有發現任何反原子。[120][121]然而，1996年，在日內瓦的歐洲核子研究中心，首次合成了反氫──氫的反物質。[122][123]

把原子中的質子、中子或電子用相等電荷的其它粒子代替，可以形成奇異原子。例如，可以把電子用質量更大的緲子代替，形成緲子原子。這些類型的原子可以用來測試物理學的基本預言。[124][125][126]

參閱

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外部鏈接

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