Embora o significado original do termo átomo correspondesse a uma partícula que não pode ser dividida em partículas menores, no contexto científico contemporâneo o átomo é constituído por várias partículas subatômicas: o elétron, o próton e o nêutron. No entanto, há exceções: um átomo de hidrogênio-1 não tem nêutrons e um íon hidrogênio não tem elétrons.

O elétron é a partícula com menor massa, com apenas 9,11 x10^-31 kg, tendo carga elétrica negativa e uma dimensão de tal modo reduzida que não é possível a sua medição com a tecnologia atual.

O próton tem carga positiva e massa 1 836 vezes maior do que a dos elétrons – 1,6726 x 10^-27 kg. O nêutron não possui carga elétrica e tem massa 1 839 vezes superior à massa do elétron, ou 1,6929 x 10^-27 kg.

Nêutrons e prótons possuem dimensões comparáveis, na ordem de 2,5 x10^-15 m, embora a superfície destas partículas não tenha contornos precisos.

No modelo padrão da física de partículas, os elétrons são partículas verdadeiramente elementares sem qualquer estrutura interna. No entanto, tanto os protões como os nêutrons são partículas compostas, formadas por partículas denominadas quarks. Os protões são constituídos por dois quarks up (cada um com carga +²⁄₃) e um quark down (com carga −¹⁄₃). Os nêutrons são constituídos por um quark up e dois quarks down. Esta diferença é responsável pelos diferentes valores de massa e carga entre as duas partículas. Os quarks mantêm-se unidos através da força forte, mediada pelos gluons. Por outro lado, os protões e nêutrons mantêm-se unidos através da força nuclear, um resíduo da força forte com propriedades diferentes. O gluon é um membro da família dos bosons de calibre, que são partículas elementares que medeiam a forças físicas.

Núcleo

 

Energia de ligação necessária para um núcleon escapar do núcleo, em vários isótopos.

O conjunto dos protões e nêutrons ligados entre si num átomo formam um pequeno núcleo atómico. Estes elementos que formam o núcleo são denominados coletivamente por núcleons.

O raio de um núcleo é aproximadamente igual a 1,07 ³√A fm, onde A é o número total de nucleões. Este valor é muito inferior ao raio do próprio átomo, que é da ordem dos 10⁵ fm.

Os núcleons mantêm-se unidos através de um potencial atrativo de curto alcance denominado força nuclear residual. A distâncias inferiores a 2,5 fm, esta força é muito mais poderosa que a força eletrostática, o que faz com que os protões de carga positiva se repelem mutuamente.

Os átomos de um mesmo elemento químico têm sempre o mesmo número de protões, o qual é denominado número atômico. Entre cada elemento, o número de nêutrons pode variar, determinando desta forma o isótopo desse elemento. O número total de protões e nêutrons determina o nuclídeo. O número de protões relativamente ao número de nêutrons determina a estabilidade do núcleo, havendo determinados isótopos que são radioativos.

Os nêutrons e protões são tipos diferentes de férmions. O Princípio de exclusão de Pauli é um princípio de mecânica quântica que proíbe que férmions idênticos, tais como múltiplos protões, ocupem o mesmo estado físico quântico ao mesmo tempo. Por conseguinte, todos os protões no núcleo devem ocupar um estado diferente, com um nível de energia próprio, aplicando-se a mesma regra a todos os nêutrons. Esta proibição não se aplica a um próton e nêutron que ocupem o mesmo estado quântico.

Nos átomos com números atómicos baixos, um núcleo que tenha um número de protões diferente do número de nêutrons pode decair para um estado de energia inferior através de radioatividade, de forma a que o número de protões e elétrons seja igualado. Por este motivo, os átomos com número semelhante de protões e nêutrons são mais estáveis em relação à radioatividade. No entanto, à medida que o número atómico aumenta, a repulsa mútua entre os protões requer uma proporção cada vez maior de nêutrons para manter a estabilidade do núcleo. Assim, não existem núcleos estáveis com o mesmo número de protões e nêutrons acima do número atómico 20 (cálcio) e, à medida que o valor aumenta, o rácio entre protões e nêutrons necessário à estabilidade aumenta para cerca de 1,5.

 

Ilustração de um processo de fusão nuclear. Dois protões dão origem a um núcleo de deutério com um próton e um nêutron. Durante o processo são emitidos um positrão (e⁺) – um elétron antimatéria – e um neutrino.

O número de protões e nêutrons no núcleo atómico pode ser alterado, embora possa ser necessária grande quantidade de energia para vencer a força forte. A fusão nuclear ocorre quando várias partículas atómicas se juntam para formar um núcleo mais pesado, como no caso da colisão entre dois núcleos. Por exemplo, no interior do Sol os protões necessitam de energia na ordem dos 3–10 keV para vencer a sua repulsa mútua - a barreira de Coulomb - e se fundirem num único núcleo. A fissão nuclear é o processo oposto, na qual o núcleo se divide em dois núcleos menores, normalmente através de radioatividade. O núcleo também pode ser modificado através do bombardeio com partículas subatómicas de elevada energia ou fotões. Se isto modificar o número de protões dentro do núcleo, o átomo muda para um elemento químico diferente.

Se, depois de uma reação de fusão, a massa de um núcleo for menor que a soma das massas das várias partículas, a diferença entre estes dois valores pode ser emitida através de energia útil (como raios gama ou a energia cinética de uma partícula beta), tal como descrito na fórmula de equivalência massa-energia de Einstein E = mc², na qual m é a perda de massa e c é a velocidade da luz. Este défice é parte da energia de ligação do novo núcleo, sendo a perda irrecuperável de energia que faz com que as partículas fundidas se mantenham juntas.

A fusão de dois núcleos que dêem origem a núcleos maiores com números atómicos inferiores aos do ferro e níquel (60) é geralmente uma reação exotérmica que libera mais energia do que aquela necessária para os fundir. É este processo de libertação de energia que faz da fusão nuclear em estrelas uma reação auto sustentável. Em núcleos mais pesados, a energia de ligação por cada nucleão dentro do núcleo começa a ser cada vez menor. Isto significa que os processos de fusão que produzam núcleos com número atómico superior a 26 e massa atómica superior a 60 são reações endergônicas. Estes núcleos de maior massa não são capazes de dar origem a uma reação de fusão produtora de energia que sustente o equilíbrio hidrostático de uma estrela.

Nuvem de elétrons

Ver artigos principais: Orbital atómica e Configuração electrónica

 

Um poço de potencial que mostra, de acordo com a mecânica clássica, a quantidade mínima de energia V(x) necessária para atingir cada posição x. Em termos clássicos, uma partícula com energia E está restrita a uma gama de posições entre x₁ e x₂.

Os elétrons de um átomo são atraídos para os protões do núcleo por meio da força eletromagnética. Esta força prende os elétrons no interior de um poço de potencial eletrostático em redor do núcleo mais pequeno, o que significa que é necessária uma fonte de energia externa para o elétron escapar. Quando mais perto está o elétron do núcleo, maior a força de atração. Assim, os elétrons que estejam ligados mais perto do centro do poço de potencial requerem mais energia para escapar do que aqueles na periferia.

Os elétrons, tal como outras partículas, têm propriedades tanto de partícula como de onda. A nuvem de elétrons é uma região no interior do poço de potencial na qual cada elétron forma um tipo de onda estacionária tridimensional - uma onda que não se move em relação ao núcleo. Este comportamento é definido por uma orbital atómica, uma função matemática que caracteriza a probabilidade de um elétron aparentar estar em determinada localização quando a sua posição é medida. Só existe um número limitado de orbitais em redor do núcleo, uma vez que outros possíveis padrões de onda rapidamente decaem para formas mais estáveis. As orbitais podem ter um ou mais anéis ou nós, e diferem entre si em termos de tamanho, forma e direção.

Cada orbital atómica corresponde a um determinado nível de energia de um elétron. Um elétron pode alterar o seu estado para um nível de energia superior ao absorver um fotão com energia suficiente para o impulsionar para o novo estado quântico. De forma semelhante, através de emissão espontânea, um elétron que se encontre num estado superior de energia pode descer para um estado inferior ao emitir a energia em excesso através de fotões. Estes valores de energia característicos, definidos pelas diferenças de energia nos estados quânticos, são responsáveis pelas linhas espectrais atómicas.

A quantidade de energia necessária para remover ou acrescentar um elétron - a energia de ligação de elétrons – é muito inferior à energia de ligação de nucleões. Por exemplo, só são necessários 13,6 eV para remover um elétron de um átomo de hidrogênio que esteja no nível fundamental, em comparação com os 2,23 milhões eV para dividir um núcleo de deutério. Os átomos são eletricamente neutros quando têm um número igual de protões e elétrons. Os átomos que têm défice ou excesso de elétrons são denominados íons. Os elétrons mais afastados do núcleo podem ser transferidos para outros átomos ou partilhados entre átomos. Através deste mecanismo, os átomos são capazes de se ligar em moléculas ou outros tipos de compostos químicos como cristais iónicos ou covalentes.

Nucleossíntese

Os protões e elétrons estáveis apareceram um segundo depois do Big Bang.

Durante os três minutos seguintes, a nucleossíntese primordial produziu a maior parte dos átomos de hélio, lítio e deutério no universo e, provavelmente, alguns dos de berílio e boro.

Os primeiros átomos (completos com elétrons a si ligados) foram, em teoria, criados 380 000 anos após o Big Bang, durante uma era denominada recombinação, quando o universo em expansão arrefeceu o suficiente para permitir aos elétrons ligarem-se aos núcleos. 

A partir de então, os núcleos atômicos têm-se combinado no interior das estrelas através de fusão nuclear, produzindo elementos até ao ferro.

Outros isótopos, como o lítio-6, são gerados no espaço através da espalação de raios cósmicos.

Este fenômeno ocorre quando um protão de elevada energia atinge um núcleo atómico, o que causa a ejeção de um grande número de nucleões.

Os elementos mais pesados que o ferro foram produzidos em supernovas através do Processo R e em estrelas AGB através do Processo-S, ambos envolvendo a captura de neutrões pelo núcleo atómico.

Determinados elementos, como o chumbo, foram formados essencialmente através do decaimento radioativo de outros elementos mais pesados.^[78]

Terra

A maior parte dos átomos que constituem a Terra e os seres vivos já estavam presentes, na sua forma atual, na nebulosa que formou o sistema solar a partir de uma nuvem molecular.

O restante é o resultado de decaimento radioativo, sendo a proporção entre ambos usada na determinação da idade da Terra através de datação radiométrica.

A maior parte do hélio na crosta da Terra é resultado da emissão alfa.

Há alguns átomos na Terra que não estão presentes desde o início (isto é, que não são primordiais) nem são resultado de decaimento radioativo.

Por exemplo, o carbono-14 é gerado continuamente através dos raios cósmicos na atmosfera.

Alguns átomos são gerados artificialmente, quer deliberadamente ou enquanto subprodutos de reatores ou explosões nucleares.

Entre os elementos transurânicos – aqueles com número atómico superior a 92 – só o neptúnio ocorre naturalmente na Terra.

Os elementos transurânicos têm períodos de vida radioativa mais curtos do que a idade atual da Terra, pelo que algumas quantidades destes elementos já decaíram por completo, à exceção de vestígios de plutónio-244, provavelmente depositado por poeira cósmica. 

Os depósitos naturais de plutônio e neptúnio são produzidos por captura de neutrões em minério de urânio.

A Terra contém aproximadamente 1,33 x 10⁵⁰ átomos.

Existem na atmosfera pequenas quantidade de átomos independentes que formam os gases nobres, como o argônio e o néon.

Os restantes 99% de átomos na atmosfera encontram-se ligados na forma de moléculas, entre as quais dióxido de carbono e oxigénio e nitrogénio diatómicos.

Na superfície terrestre, os átomos combinam-se entre si para formar vários compostos, entre os quais a água o sal, silicatos e óxidos.

Os átomos podem também unir-se para criar materiais mais complexos, como cristais e metais líquidos e sólidos.^[91][92]

Formas raras e teóricas

Embora se saiba que os isótopos com número atómico maior do que o chumbo (82) são radioativos, tem sido proposta uma "ilha de estabilidade" na qual se incluiriam números atómicos superiores a 103.

Estes elementos superpesados podem ter um núcleo que seja relativamente estável contra o decaimento radioativo.

O candidato mais provável a um átomo superpesado, o unbi-héxio, possui 126 protões e 184 neutrões.

Cada partícula de matéria possui uma antipartícula de antimatéria correspondente, com carga elétrica oposta.

Assim, o positrão é um antielétron com carga positiva e o antiproton é equivalente ao protão, mas de carga negativa.

O antinêutron não tem carga elétrica, assim como o nêutron.

Por razões ainda desconhecidas, as partículas de antimatéria são raras no universo, pelo que não foram ainda descobertos átomos de antimatéria. 

O antihidrogénio, o correspondente antimatéria ao hidrogénio, foi pela primeira vez produzido no laboratório do CERN em Genebra em 1996.

Têm vindo a ser criados mais átomos exóticos, através da substituição de um dos protões, nêutrons ou elétrons por outras partículas com a mesma carga. Por exemplo, é possível substituir um elétron por um muon, mais massivo, dando origem a um átomo muônico.

Este tipo de átomos pode ser usado para testar as hipóteses fundamentais de física.

Por definição, quaisquer dois átomos com número idêntico de prótons nos seus núcleos pertencem ao mesmo elemento químico.

Átomos com número idêntico de prótons, mas diferente número de nêutrons são diferentes isótopos do mesmo elemento. Por exemplo, todos os átomos de hidrogénio admitem exatamente um único próton, mas existem isótopos sem nêutrons (hidrogénio-1), um nêutron (deutério), dois nêutrons (trítio) e mais do que dois nêutrons.

Os elementos conhecidos formam um conjunto de números atómicos, desde o hidrogénio, com apenas um único próton, até ao ununóctio, com 118 prótons. Todos os isótopos conhecidos de elementos com números atómicos maiores do que 82 são radioativos.

Na Terra existem naturalmente cerca de 339 nuclídeos, dos quais não se observou qualquer decaimento em 254 deles (aprox. 75%), sendo assim denominados isótopos estáveis. No entanto, em teoria só em 90 destes nuclídeos é que não é possível ocorrer decaimento. Nos 164 restantes, embora ainda não tenha sido observado qualquer decaimento, em teoria é possível que isso aconteça (no entanto, são igualmente classificados como estáveis). Para além destes, 34 nuclídeos radioativos têm uma meia-vida superior a 80 milhões de anos e um ciclo de vida suficiente grande para estarem presentes desde o nascimento do sistema solar. Os elementos deste conjunto de 288 nuclídeos são denominados nuclídeos primordiais. Conhece-se ainda mais 51 nuclídeos de vida curta que ocorrem de forma natural, enquanto produto do decaimento de nuclídeos primordiais (como o rádio a partir do urânio), ou produto de processos energéticos naturais na Terra, como o bombardeio de raios cósmicos (por exemplo, o carbono-14).

Existe pelo menos um isótopo estável em 80 elementos químicos. Regra geral, existem poucos isótopos estáveis para cada um destes elementos. Em média existem 3,2 isótopos estáveis por cada elemento, embora vinte e seis elementos tenham apenas um único isótopo estável. O estanho tem o maior número de isótopos estáveis (10). Os elementos Tecnécio, Promécio, e todos os elementos iguais ou superiores ao Bismuto não têm isótopos estáveis.

A estabilidade dos isótopos é influenciada pela proporção entre prótons e nêutrons e pela presença de determinados números de nêutrons e prótons que representam camadas quânticas abertas e fechadas. e preenchidas. Estas camadas correspondem a um conjunto de níveis de energia no interior do modelo de camadas do núcleo. As camadas preenchidas, como a camada preenchida de 50 prótons no estanho, oferece ao nuclídeo uma estabilidade acima do normal. Entre os 254 nuclídeos conhecidos, apenas quatro têm simultaneamente um número ímpar de prótons e um número ímpar de nêutrons: hidrogénio-2 (deutério), lítio-6, boro-10 e nitrogénio-14. Apenas quatro dos nuclídeos radioativos ímpar-ímpar que ocorrem naturalmente têm uma meia-vida superior a mil milhões de anos: potássio-40, vanádio-50, lantânio-138 e tântalo-180m. A maior parte dos núcleos ímpar-ímpar são altamente instáveis no que diz respeito ao decaimento beta, uma vez que os produtos do decaimento são par-par e por esse motivo ligados de maneira mais forte.

Massa

A massa de um átomo em repouso é geralmente expressa através da unidade de massa atómica (u), por vezes também designada por dalton (Da). Esta unidade corresponde a um duodécimo da massa de um átomo neutro livre de carbono-12, o que corresponde a aproximadamente 1,66 x10^-27 kg. O hidrogénio-1, o mais leve isótopo de hidrogénio e o átomo com menor massa, tem um peso atómico de 1,007825 u.^[31] O valor deste número é denominado massa atómica. Um dado átomo tem uma massa atómica aproximadamente igual (± 1%) ao seu número de massa vezes a massa da unidade de massa atómica. No entanto, este número não será um número inteiro exceto no caso do carbono-12.^[32] O átomo estável mais pesado é o chumbo-208,^[24] com 207,9766521 u de massa.

Como até os átomos de maior massa são muito leves para que se possa trabalhar diretamente neles, os químicos usam a unidade Mole. Um mole de átomos de qualquer elemento tem sempre o mesmo número de átomos (cerca de 6,022 x10²³). Este número foi escolhido de forma a que se um elemento tiver uma massa atómica de 1 u, um mole de átomos desse elemento tenha uma massa exata de um grama. Em função da definição da unidade de massa atómica, cada átomo de carbono-12 tem uma massa atómica de exatamente 12 u, e portanto um mole de carbono-12 pesa exatamente 0,012 kg.

Tamanho e forma

Os átomos não possuem uma fronteira exterior definida, pelo que a sua dimensão é normalmente descrita em termos de raio atómico. Esta medida corresponde à distância de afastamento da nuvem de elétrons em relação ao núcleo central. Porém, isto assume que o átomo apresenta uma forma esférica, o que só se verifica no vácuo. O raio atómico pode ser derivado da distância entre dois núcleos quando dois átomos estão unidos por uma ligação química. O raio varia em função da localização do átomo na tabela periódica, do tipo de ligação química, do número de átomos vizinhos (número de coordenação) e de uma propriedade de mecânica quântica denominada spin. Na tabela periódica, o tamanho do átomo tende a aumentar à medida que se desce as colunas, mas diminui quando se cruza as linhas da esquerda para a direita. O átomo de menor dimensão é o hélio, com um raio de 32 pm. Um dos maiores é o césio com 225 pm. Quando sujeitos a campos externos, como um campo elétrico, a forma dos átomos pode-se desviar em relação à esfera. A deformação depende da magnitude do campo e do tipo de órbita das camadas exteriores de elétrons. Os desvios esféricos podem ser observados, por exemplo, em cristais, nos quais se pode verificar a ocorrência de grandes campos elétricos em pontos de baixa simetria na malha cristalina. Tem-se também verificado a ocorrência de deformações elipsoidais muito significativas em iões de enxofre nos compostos semelhantes a pirite.

As dimensões atómicas são milhares de vezes mais pequenas do que os comprimentos de onda da luz (400–700 nm), pelo que não podem ser observados através de um microscópio óptico. No entanto, é possível observar átomos individuais através de um microscópio de corrente de tunelamento. Para ter uma noção de grandeza do átomo, considere-se que um cabelo humano normal tem cerca de um milhão de átomos de largura. Uma gota de água contém cerca de dois mil triliões (2²¹) de átomos de oxigénio e o dobro desse valor de átomos de hidrogénio. Um diamante de um quilate com uma massa de 2×10⁻⁴ kg contém dez mil trilhões (10²²) de átomos de carbono. Se uma maçã fosse ampliada para o tamanho da Terra, os átomos teriam aproximadamente o tamanho da maçã original.

Radioatividade

 

Este diagrama mostra a meia-vida T_½) de vários isótopos com Z prótons e N nêutrons.

As formas mais comuns de emissão radioativa são alfa, beta e gama.

Na emissão alfa consiste na emissão pelo núcleo de uma partícula alfa, que é um núcleo de hélio, com dois prótons e dois nêutrons, resultando em um novo elemento com um número atómico inferior.

A emissão beta e captura eletrônica são processos regulados pela força fraca, resultado da transformação de um nêutron num próton ou de um próton num nêutron. A transição de nêutron para próton é acompanhada pela emissão de um elétron e de um antineutrino, enquanto que a transição de próton para nêutron (excepto no caso da captura eletrônica) causa e emissão de um positrão e de um neutrino. As emissões de elétrons ou positrões são denominadas partículas beta. O decaimento beta aumenta ou diminui em um o número atómico do núcleo. A captura de elétrons é mais comum do que a emissão de positrões, uma vez que requer menos energia. Neste tipo de decaimento, o núcleo absorve um elétron, em vez de o positrão ser emitido pelo núcleo. Neste processo, o neutrino continua a ser emitido e o próton é alterado para nêutron.

A emissão gama é o resultado de uma alteração do nível de energia do núcleo para um estado inferior, resultando na emissão de radiação eletromagnética. O estado de excitação de um núcleo que resulte em emissão gama normalmente ocorre após a emissão de partículas alfa ou beta. Assim, uma emissão gama sucede geralmente a uma emissão alfa ou beta.

Os restantes tipos mais raros de emissão radioativa incluem a ejeção de nêutrons, prótons ou grupos de núcleons a partir do núcleo, ou mais do que uma partícula beta. A conversão interna é um processo análogo à emissão gama, mas que permite ao núcleo excitado perder energia de forma diferente, ao produzir elétrons de alta velocidade que não são raios beta, seguidos pela produção de fotões de elevada energia que não são raios gama. Alguns núcleos de grande dimensão explodem em dois ou mais fragmentos, com carga elétrica e de massa variada, e de vários nêutrons, numa emissão denominada fissão nuclear espontânea.

Cada isótopo radioativo tem um período de emissão ou decaimento característico - a meia-vida - que é determinado pela quantidade de tempo necessária para o decaimento de metade de uma amostra. Trata-se de um processo de decaimento exponencial que diminui de forma constante a proporção do isótopo restante em 50% a cada meia-vida. Desta forma, depois de duas meias-vidas, só 25% do isótopo é que está presente, e assim por diante.^[42]

Momento magnético

As partículas elementares possuem uma propriedade mecânica quântica intrínseca denominada spin. Isto é análogo ao momento angular de um objeto em rotação à volta do seu centro de massa, embora em termos precisos se acredite que estas partículas sejam similares a pontos e não se possa dizer que estejam em rotação. O spin é medido em unidades da constante de Planck reduzidas (h), tendo os elétrons, prótons e nêutrons todos um spin de ½ ħ. Num átomo, para além do spin, os elétrons em movimento ao redor do núcleo possuem momento angular orbital, enquanto que o próprio núcleo possui momento angular devido ao spin nuclear.

O campo magnético produzido por um átomo - o seu momento magnético - é determinado por estas diferentes formas de momento angular, uma vez que um objeto com carga elétrica em rotação produz um campo magnético. No entanto, a principal contribuição vem do próprio spin. Devido à natureza dos elétrons em obedecer ao princípio de exclusão de Pauli, pelo qual dois elétrons não podem apresentar o mesmo estado quântico, os elétrons ligados emparelham-se entre si, ficando um dos membros num estado de spin positivo e o outro num estado de spin negativo. Assim, os spins cancelam-se mutuamente, diminuindo o momento de dipolo magnético para zero em determinados átomos com número par de elétrons.^[46]

Em elementos ferromagnéticos como o ferro, o número ímpar de elétrons leva a que haja um elétron não emparelhado e a que exista um momento magnético. As órbitas de átomos vizinhos sobrepõem-se, e quando os spins de elétrons se alinham entre si atinge-se um estado de energia inferior denominado interação de troca. Quando os momentos magnéticos dos átomos ferromagnéticos se encontram alinhados, o material é capaz de produzir um campo macroscópico mensurável. Os materiais paramagnéticos possuem átomos com momentos magnéticos que, na ausência de campos magnéticos, se alinham em direções aleatórias, mas em que na presença de um campo se alinham individualmente.^[46][47]

O núcleo de um átomo pode também possuir spin próprio, ou spin nuclear. Normalmente, os núcleos estão alinhados em direções aleatórias devido ao equilíbrio térmico. No entanto, para determinados elementos (como o xénon-129) é possível polarizar uma grande proporção dos estados de spin nuclear para que sejam alinhados na mesma direção - uma condição denominada "hiperpolarização" - o que tem aplicações notáveis na ressonância magnética.

Níveis de energia

Quando um elétron se encontra ligado a um átomo, possui energia potencial inversamente proporcional à sua distância em relação ao núcleo. Isto é medido pela quantidade de energia necessária para separar o elétron do átomo, sendo geralmente expressa em unidade de elétrão-volt (eV). No modelo mecânico quântico, um elétron ligado apenas pode ocupar um conjunto de estados com centro no núcleo, em que cada estado corresponde a um nível específico de energia. O estado de energia mínima de um elétron ligado denomina-se estado fundamental , enquanto que a transição para níveis mais altos de energia resulta num estado excitado.

Para um elétron poder transitar entre dois estados diferentes, deve absorver ou emitir um fotão cuja energia corresponda à diferença entre os potenciais de energia desses níveis. A energia de um fotão emitido é proporcional à sua frequência, fazendo com que estes níveis de energia específicos apareçam como bandas distintas no espectro eletromagnético.^[51] Cada elemento tem um espectro característico que pode variar em função da carga nuclear, de subcamadas preenchidas por elétrons e de interações eletromagnéticas entre os elétrons e outros fatores.

 

Exemplo de linhas de absorção no espectro.

Quando se passa um espectro contínuo de energia através de um gás ou plasma, alguns dos fotões são absorvidos pelos átomos, causando alterações nos níveis de energia dos elétrons. Os elétrons assim excitados que permaneçam ligados ao seu átomo vão, de forma espontânea, emitir esta sobrecarga de energia através de um fotão que se movimentará numa direção aleatória, levando a que o elétron regresse aos níveis de energia anteriores. Assim, os átomos comportam-se como um filtro que forma uma série de bandas de absorção no espectro de energia. A medição espectroscópica da força e largura das linhas espectrais permite determinar a composição e propriedades físicas de uma substância.

Quando observadas ao pormenor, algumas linhas espectrais revelam a existência de um desdobramento em estrutura fina. Isto ocorre devido à interação spin-órbita, uma interação entre o spin e movimento do elétron mais afastado do centro.^[54] Quando um átomo se encontra num campo magnético exterior, as linhas espectrais dividem-se em três ou mais componentes; um fenómeno denominado efeito Zeeman. Isto é causado pela interação do campo magnético com o momento magnético do átomo e dos seus elétrons. Alguns átomos podem ter múltiplas configurações eletrónicas com o mesmo nível de energia, aparecendo assim como uma única linha espectral. A interação do campo magnético com o átomo altera estas configurações eletrónicas para níveis de energia ligeiramente diferentes, o que resulta em várias linhas espectrais.^[55] A presença de um campo elétrico externo pode provocar nas linhas espectrais desdobramentos e alterações semelhantes, ao modificar os níveis de energia dos elétrons, um fenómeno denominado efeito Stark.

Se um elétron ligado se encontra num estado excitado, um fotão que com ele interaja e tenha um nível de energia apropriado pode provocar a emissão estimulada de um fotão com um nível de energia correspondente. Para que isto ocorra, o elétron deve descer para um estado energético inferior e que tenha um diferencial de energia correspondente à energia do fotão que com ele interage. O fotão emitido e o fotão de interação irão então mover-se paralelamente e com fases iguais. Isto é, os padrões de onda dos dois fotões vão-se sincronizar. Esta propriedade física é usada para produzir lasers, que são capazes de emitir um raio coerente de luz através numa banda de frequência estreita.^[57]

Valência

Os elementos químicos são geralmente representados numa tabela periódica, organizada de forma a mostrar as principais propriedades químicas e na qual os elementos com o mesmo número de elétrons de valência formam um grupo alinhado ao longo da mesma coluna na tabela. Os elementos mais à direita da tabela têm a sua camada externa completamente preenchida com elétrons, o que dá origem a elementos quimicamente inertes conhecidos como gases nobres.^[59][60]

Estados

 

Formação de um condensado de Bose-Einstein

Os átomos encontram-se em diferentes estados de matéria, que dependem de condições físicas como a temperatura ou pressão. Ao serem alteradas as condições, os materiais podem alternar entre os estados sólido, líquido, gasoso ou plasmático. Dentro de um determinado estado, um material pode também existir em diferentes fases. Por exemplo, o carbono sólido pode existir enquanto grafite ou diamante.

A temperaturas próximas do zero absoluto, os átomos podem formar um condensado de Bose-Einstein, no qual os efeitos mecânicos quânticos, que geralmente só são observados a uma escala atómica, se tornam visíveis a uma escala macroscópica. Este grupo de átomos extremamente arrefecido comporta-se então como um único átomo, o que permite observações fundamentais do comportamento mecânico.

Um átomo pode ser ionizado através da remoção de um dos seus elétrons. A carga elétrica faz com que a trajetória de um átomo se curve quando atravessa um campo magnético. O raio de curvatura é determinado pela massa do átomo.

O espectrómetro de massa usa este princípio para medir o rácio massa/carga dos íons. Se uma amostra contém vários isótopos, o espectrómetro de massa consegue determinar a proporção de cada isótopo na amostra medindo a intensidade dos diferentes raios dos íons.

Entre as técnicas para vaporizar átomos contam-se a espectrometria de emissão atómica por plasma acoplado indutivamente e espectrometria de massa por plasma acoplado indutivamente, ambas usando plasma para vaporizar amostras para análise.^[104]

A espectroscopia de perda de energia de elétrons mede a perda de energia de um raio de elétrons no interior de um microscópio eletrônico de transmissão no momento em que esse raio interage com uma parte da amostra.

A tomografia de sonda atômica tem uma resolução tridimensional sub-nanométrica e pode identificar quimicamente átomos individuais usando espectrometria de massa de tempo de voo.

Os espectros de estados excitados podem ser usados para analisar a composição atómica de estrelas distantes.

Os comprimentos de onda específicos contidos na luz que é emitida pelas estrelas podem ser separados e comparados com as transições em átomos de gás livres.

Estas cores podem então ser replicadas usando uma lâmpada de descarga de gás que contenha o mesmo elemento.

Foi através deste método que se descobriu o hélio no Sol, 23 anos antes de ser encontrado na Terra.