原子

原子

原子结构示意图原子（atom）指化学反应的基本微粒，原子在化学反应中不可分割。原子直径的数量级大约是10^-10m。原子质量极小，且99.9%集中在原子核。原子核外分布着电子电子跃迁产生光谱，电子决定了一个元素的化学性质，并且对原子的磁性有着很大的影响。所有质子数相同的原子组成元素，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。原子最早是哲学上具有本体论意义的抽象概念，随着人类认识的进步，原子逐渐从抽象的概念逐渐成为科学的理论。
目录

历史早期历史
近代史
原子结构理论发展史
组成电子
原子核
性质质量
原子半径
磁性
核性质
光谱
价电子
电离能
电子亲和能
电负性
鉴定方法扫描隧道显微镜
质谱
电子能量损失谱
激发态光谱
产生与存在核合成
地球
罕见理论稳定岛
反物质
历史 早期历史
近代史
原子结构理论发展史
组成 电子
原子核
性质 质量
原子半径
磁性
核性质
光谱
价电子
电离能
电子亲和能
电负性
鉴定方法 扫描隧道显微镜
质谱
电子能量损失谱
激发态光谱
产生与存在 核合成
地球
罕见理论 稳定岛
反物质

历史 　　
早期历史
　　　关于物质是由离散单元组成且能够被任意分割的概念流传了上千年，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。
　　现存最早关于原子的概念阐述可以追溯到公元前6世纪的古印度。正理派和胜论派发展了一种完备的理论来描述原子是如何组成更加复杂的物体（首先成对，然后三对再结合）。西方的文献则要晚一个世纪，是由留基伯提出，他的学生德谟克利特总结了他的观点。大约在公元前450年，德谟克利特创造了原子这个词语，意思就是不可切割。在公元前4世纪左右，中国哲学家墨翟在其著作《墨经》中也独立提出了物质有限可分的概念，并将最小的可分单位称之为“端”。尽管印度、中国和希腊的原子观仅仅是基于哲学上的理解，但现代科学界仍然沿用了由德谟克利特所创造的名称[1]。　
　　
近代史
　　1661年，自然哲学家罗伯特·波义耳出版了《怀疑的化学家》（The Sceptical Chemist）一书，他认为物质是由不同的“微粒”或原子自由组合构成的，而并不是由诸如气、土、火、水等基本元素构成[2]。恩格斯认为，波义耳是最早把化学确立为科学的化学家[25]。
　　1789年，法国贵族，拉瓦锡定义了原子一词，从此，原子就用来表示化学变化中的最小的单位。
　　道尔顿在《化学哲学新体系》中描述的原子1803年，英语教师及自然哲学家约翰·道尔顿（John Dalton）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（law of multiple proportions）；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[3]。
　　1827年，英国植物学家罗伯特·布朗（Botanist Robert Brown)在使用显微镜观察水面上灰尘的时候，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。
　　1877年，德绍尔克思（J. Desaulx）提布朗运动是由于水分子的热运动而导致的。
　　1897年，在关于阴极射线的工作中，物理学家约瑟夫·汤姆生（J.J.Thomsom）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。汤姆生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。这也叫做葡萄干布丁模型[4]。
　　1909年，在物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)的指导下，菲利普·伦纳德（P.E.A.Lenard ）用氦离子轰击金箔。发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆生假设所预测值。卢瑟福根据这个金铂实验的结果指出：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[5]。这就是原子核的核式结构。
　　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（Frederick Soddy）发现对于元素周期表中的每个位置，往往存在不只一种质量数的原子[6]。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，汤姆生发明了一种新技术，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[7]；同年，物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）重新省视了卢瑟福的模型，并将其与普朗克及爱因斯坦的量子化思想联系起来，他认为电子应该位于原子内确定的轨道之中，并且能够在不同轨道之间跃迁，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跃迁时，必须吸收或者释放特定的能量。这种电子跃迁的理论能够很好的解释氢原子光谱中存在的固定位置的线条[8]，并将普朗克常数与氢原子光谱的里德伯常量取得了联系。
　　1916年，德国化学家柯塞尔（Kossel）在考察大量事实后得出结论：任何元素的原子都要使最外层满足8电子稳定结构[11]。
　　1919年，物理学家卢瑟福在α粒子轰击氮原子的实验中发现质子[24]。弗朗西斯·威廉·阿斯顿（Francis William Aston）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。
　　1923年，美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯（G.N.Lewis）发展了柯赛尔的理论，提出共价键的电子对理论[11]。路易斯假设：在分子中来自于一个原子的一个电子与另一个原子的一个电子以“电子对”的形式形成原子间的化学键。这在当时是一个有悖于正统理论的假设，因为库仑定律表明，两个电子间是相互排斥的，但路易斯这种设想很快就为化学界所接受，并导致原子间电子自旋相反假设的提出[15]。
　　1926年，薛定谔（Erwin Schrödinger）使用路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）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。但是在数学上不能够同时得到位置和动量的精确值，
　　1926年，沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）提出了著名的测不准原理。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像，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，人们不再使用玻尔的原子模型，而是将原子轨道视为电子高概率出现的区域（电子云）[9]。
　　1930年，科学家发现，α射线轰击铍-9时，会产生一种电中性，拥有极强穿透力的射线，最初，这被认为是γ射线；1932年，约里奥·居里夫妇发现，这种射线能从石蜡中打出质子；同年，卢瑟福的学生詹姆斯·查得威克（James Chadwick）认定这就是中子[1][24]，而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。
　　1950s，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。他们发现中子和质子是强子的一种，又更小的夸克微粒构成。核物理的标准模型也随之发展，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。
　　1985年，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纳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，为玻色-爱因斯坦凝聚的发现奠定了基础[10]。
　　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连接形成一个单电子晶体管。 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。　
　　
原子结构理论发展史 　　
　　道尔顿的原子模型
　　英国自然科学家约翰·道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学理论，提出了世界上第一个原子的理论模型。他的理论主要有以下三点[11]：
　　①所有物质都是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成；
　　②同种元素的原子的各种性质和质量都相同，不同元素的原子，主要表现为质量的不同；
　　③原子是微小的、不可再分的实心球体；
　　④原子是参加化学变化的最小单位，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会被创造或者消失。
　　虽然，经过后人证实，这是一个失败的理论模型，但，道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，明确了今后化学家们努力的方向，化学真正从古老的炼金术中摆脱出来，道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”。
　　葡萄干布丁模型
　　葡萄干布丁模型由汤姆生提出，是第一个存在着亚原子结构的原子模型。　
　　汤姆生在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干布丁模型，汤姆生认为[11]：
　　①正电荷像流体一样均匀分布在原子中，电子就像葡萄干一样散布在正电荷中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消；
　　②在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。
　　汤姆生的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干布丁模型的正确性。
　　土星模型
　　在汤姆生提出葡萄干布丁模型同年，日本科学家提出了土星模型，认为电子并不是均匀分布，而是集中分布在原子核外围的一个固定轨道上[16]。
　　行星模型
　　行星模型由卢瑟福在提出，以经典电磁学为理论基础，主要内容有[11]：
　　①原子的大部分体积是空的；
　　②在原子的中心有一个体积很小、密度极大的原子核；
　　③原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行高速的绕核运动。
　　随着科学的进步，氢原子线状光谱的事实表明行星模型是不正确的。
　　玻尔的原子模型
　　为了解释氢原子线状光谱这一事实，卢瑟福的学生玻尔接受了普朗克的量子论和爱因斯坦的光子概念在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。玻尔原子结构模型的基本观点是[12]：
　　①原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道（orbit)上绕原子核运动，不辐射能量
　　②在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），且能量是量子化的，轨道能量值依n（1，2，3，...）的增大而升高，n称为量子数。而不同的轨道则分别被命名为K（n=1)、L(n=2)、N(n=3)、O(n=4)、P(n=5)。
　　③当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。
　　玻尔的原子模型很好的解释了氢原子的线状光谱，但对于更加复杂的光谱现象却无能为力。
　　现代量子力学模型
　　物理学家德布罗意、薛定谔和海森堡等人，经过13年的艰苦论证，在现代量子力学模型在玻尔原子模型的基础上很好地解释了许多复杂的光谱现象，其核心是波动力学。在玻尔原子模型里，轨道只有一个量子数（主量子数），现代量子力学模型则引入了更多的量子数（quantum number)[11][12]。
　　①主量子数（principal quantum number)，主量子数决定不同的电子层，命名为K、L、M、N、O、P、Q
　　②角量子数(angular quantum number)，角量子数决定不同的能级，符号“l”共n个值（1，2，3，...n-1)，符号用s、p、d、f，表示对多电子原子来说，电子的运动状态与l有关。
　　③磁量子数（magnetic quantum number)磁量子数决定不同能级的轨道，符号“m”（见下文“磁矩”）。仅在外加磁场时有用。“n”“l”“m”三个量确定一个原子的运动状态。
　　④ 自旋磁量子数（spin m.q.n.）处于同一轨道的电子有两种自旋，即“↑↓”目前，自旋现象的实质还在探讨当中。

组成
　　化合物-原子-原子核-质子-夸克　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，随着科学的发展，原子被认为是由电子、质子、中子组成，它们被统称为亚原子粒子。几乎所有原子都含有上述三种亚原子粒子，但氕没有中子，其离子（失去电子后）只是一个质子。
　　亚原子粒子具有量子化特征和波粒二象性，公式表述为：λ=h/p=h/mv，式中λ为波长，p为动量，h为普朗克常数[13]。
　　
电子 　　
　　在一个内部接近真空、两端封有金属电极的玻璃管通上高压直流电，阴极一端便会发出阴极射线。荧光屏可以显示这种射线的方向，如果外加一个匀强电场，阴极射线会偏向阳极；又若在玻璃管内装上转轮，射线可以使转轮转动。后经证实，阴极射线是一群带有负电荷的高速质点，即电子流。电子由此被发现[14]。
　　电子是最早发现的亚原子粒子，到目前为止，电子是所有粒子中最轻的，只有9.11×10−31kg，为氢原子的1/1837。电子带有一个单位的负电荷，即4.8×10^-19静电单位或1.6×10^-19库伦，其体积因为过于微小，现有的技术已经无法测量。
　　现代物理学认为，电子属于轻子的一种是构成物质的基本单位之一（另一种为夸克）。
　　电子云
　　氢原子的电子云图像电子具有波粒二象性，不能像描述普通物体运动那样，肯定他在某一瞬间处于空间的某一点，而只能指出它在原子核外某处出现的可能性（即几率）的大小。电子在原子核各处出现的几率是不同的，有些地方出现的几率大，有些地方出现的几率很小，如果将电子在核外各处出现的几率用小黑点描绘出来（出现的几率越大，小黑点越密），那么便得到一种略具直观性的图像，这些图像中，原子核仿佛被带负电荷的电子云物所笼罩，故称电子云。
　　把核外电子出现几率相等的地方连接起来，作为电子云的界面，使界面内电子云出现的总几率很大（例如90％或95％），在界面外的几率很小，有这个界面所包括的空间范围，叫做原子轨道，这里的原子轨道与宏观的轨道具有不同的含义。
　　原子轨道是薛定谔方程的合理解，薛定谔方程为一个二阶偏微方程
　　(δ^2ψ/δx^2)+(δ^2ψ/δy^2)+(δ^2ψ/δz^2)=-(8π^2)/(h^2)·(E-V)ψ
　　该方程的解ψ是x、y、z的函数，写成ψ（x，y，z)。为了更形象地描述波函数的意义，通常用球坐标来描述波函数，即ψ（r，θ，φ)=R(r)·Y(θ，φ)，这里R(r)函数是与径向分布有关的函数，称为径向分布函数；Y(θ，φ)是与角度分布有关的，称为角度分布波函数[13]。
　　
原子核 　　主条目：原子核
　　在α粒子散射实验中，人们发现，原子的质量集中于一个很小且带正电的物质中，这就是原子核。
　　原子核也称作核子，由原子中所有的质子和中子组成，原子核的半径约等于1.07×A^1/3 fm，其中A是核子的总数。原子半径的数量级大约是105fm，因此原子核的半径远远小于原子的半径。
　　组成
　　原子核由质子与中子组成，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。
　　质子（proton）
　　质子由两个上夸克和一个下夸克组成，带一个单位正电荷，质量是电子质量的1837倍，为1.6726×10−27kg，然而部分质量可以转化为原子结合能。
　　拥有相同质子数的原子是同一种元素，原子序数＝质子数＝核电荷数＝核外电子数[12]。
　　中子（neutron）
　　中子是原子中质量最大的亚原子粒子，自由中子的质量是电子质量的1839倍，为1.6929×10^-27kg。 中子和质子的尺寸相仿，均在2.5×10^-15m这一数量级，但它们的表面并没能精确定义。
　　中子由一个上夸克和两个下夸克组成，两种夸克的电荷相互抵销，所以中子不显电性，但，认为“中子不带电”的观点是错误的。
　　而对于某种特定的元素，中子数是可以变化的，拥有不同中子数的同种元素被称为同位素。中子数决定了一个原子的稳定程度，一些元素的同位素能够自发进行放射性衰变。
　　核力（nuclear force）
　　原子核被一种强力束缚在线度为10^-15m的区域内。由于质子带正电，根据库仑定律，质子间的排斥作用本会使原子核爆裂，但，原子核中有一种力，把质子和中子仅仅束缚在一起，这种力就是核力。在一定距离内，核力远远大于静电力，克服核素图 红线为整点函数N=Z了带正电的质子间的相互排斥[24]。
　　核力的作用范围被称作力程，作用范围在2.5fm左右，最多不超过3fm[24]，即，不能从一个原子核延伸到另一个原子核，因此，核力属于短程力。
　　核素（unclide）
　　具有相同质子数和中子数的原子核称为核素，而用x轴表示质子数；用y轴表示中子数所得到的图像就被称为核素图，由图可以发现，在x∈{0，1，2，3，…，20}时，核素图上的函数近似y＝x，但随着质子数的增加，质子间的库仑斥力明显增强，原子核需要比往常更多的中子数维持原子核的未定，在x∈{21，22，23，…，112}时，函数近似为y＝1.5x，中子数大于质子数[24]。
　　结合能（energy of the nucleus）
　　在原子核中，将核子从原子核中分离做功消耗的能量，被称为结合能。实验发现，任一原子核的质量总是小于其组成核子的质量和（这一差值被称为质量亏损），因此，结合能可以由爱因斯坦质能方程原子核的平均结合能推算[13][24]：
　　结合能=（原子核内所有质子、中子的静止质量和-原子核静止质量）×光速^2
　　平均结合能（binding e.o.t.n）
　　一个原子核中每个核子结合能的平均值被称作平均结合能，计算公式为[13]：
　　每个核子的平均结合能=总结合能÷核子数
　　平均结合能越大，原子核越难被分解成单个的核子[24]。由右图可以看出：
　　①重核的平均结合能比中核小，因此，它们容易发生裂变并放出能量；
　　②轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能小，因此，当轻核发生聚变时会放出能量[24]。　
　　原子的范德华半径是指在分子晶体中，分子间以范德华力结合，如稀有气体相邻两原子核间距的一半.

性质 　　
质量
　　质量数（mass number）
　　由于质子与中子的质量相近且远大于电子，所以用原子的质子和中子数量的总和定义原子质量，称为质量数。
　　相对原子质量
　　原子的静止质量通常用统一原子质量单位（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质量的十二分之一，约为1.66×10-27kg。氢最轻的一个同位素氕是最轻的原子，重量约为1.007825u。一个原子的质量约是质量数与原子质量单位的乘积。最重的稳定原子是铅-208，质量为207.9766521u。
　　摩尔（mole）　
　　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。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6.022×10^23个。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-12的原子质量是12u，一摩尔碳的质量则是0.012kg。
　　
原子半径 　　　
　　原子没有一个精确定义的最外层，通常所说的原子半径是根据相邻原子的平均核间距测定的。
　　共价半径
　　我们测得氯气分子中两个Cl原子的核间距为1.988Α，就把此核间距的一半，即0.994Α定为氯原子的半径，此半径称为共价半径。共价半径为该元素单质键长的一半
　　金属半径
　　另外，我们也可以测得金属单质比如铜中相邻两个铜原子的核间距，其值的一半称为金属半径[14]。
　　范德华半径
　　指在分子晶体中，分子间以范德华力结合，如稀有气体相邻两原子核间距的一半.
　　部分元素的原子半径表
　　下表为一些元素的原子半径（pm），数据取自《无机化学-第四版》（2000年[17]）和j.chem.phys（1967[18]）。
　　元素 氢 氦 锂 铍 硼 碳 氮 氧 氟 氖
半径 37 122 152 111 88 77 70 66 64 160
元素 钠 镁 铝 硅 磷 硫 氯 氩 钾 钙
半径 186 160 143 117 110 104 99 191 227 197
元素 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌
半径 161 145 132 125 124 124 125 125 128 133
元素 镓 锗 砷 硒 溴 氪 铷 锶 钇 锆
半径 122 122 121 117 114 198 248 215 181 160
元素 铌 钼 锝 钌 铑 钯 银 镉 铟 锡
半径 143 136 136 133 135 138 144 149 163 141
元素 锑 碲 碘 氙 铯 钡
半径 141 137 133 217 265 217
　　注：表中非金属元素为共价半径、金属元素为金属半径、稀有气体为范德华半径
　　注：许多元素的半径值在不同书籍中差异较大，其原因有
　　①原子半径的单位有(pm)和埃(Α)两种，Α=100pm
　　②原子半径的测定方法不同
　　③原子半径的种类不同
　　原子半径的周期规律
　　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。因此，最小的原子是氢，半径为0.28Α；最大的原子是铯，半径为2.655Α。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。
　　
磁性 　　
　　电子是一种带电体，正如所有带电体一样，电子旋转时会产生一个磁场，因此，不同的原子往往有不同的磁学特性。
　　分子轨道理论可以很好地解释分子的磁性问题，例如氧气的顺磁性[12]。
　　逆磁性
　　一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。常见的逆磁性金属有Bi、Cu、Ag、Au。
　　顺磁性
　　顺磁性物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。这样便使磁化率(磁化强度与磁场强度之比)成为正值，但数值也是很小,一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一(10-5)，并且随温度的降低而增大。
　　常见的顺磁性物质有：氧气、一氧化氮、铂。
　　
核性质 　放射性
　　某些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，只能用专门的仪器才能探测到的射线。物质的这种性质叫放射性。
　　衰变　
　　不稳定(即具有放射性)的原子核在放射出粒子及能量后可变得较为稳定，这个过程称为衰变（Radioactive decay）。这些粒子或能量 （后者以电磁波方式射出）统称辐射（radiation）。由不稳定原子核发射出来的辐射可以是α粒子、β粒子、γ射线或中子。
　　放射性核素在衰变过程中，该核素的原子核数目会逐渐减少。衰变至只剩下原来质量一半所需的时间称为该核素的半衰期（half-life）。每种放射性核素都有其特定的半衰期，由几微秒到几百万年不等。
　　原子核由于放出某种粒子而变为新核的现象．原子核是一个量子体系，核衰变是原子核自发产生的变化，它是一个量子跃迁过程，它服从量子统计规律．对任何一个放射性核素，它发生衰变的精确时刻是不能预知的，但作为一个整体，衰变的规律十分明确．若在dt时间间隔内发生核衰变的数目为dN，它必定正比于当时存在的原子核数目N，显然也正比于时间间隔dt
　　衰变有3种：α衰变 、β衰变和γ衰变。
　　核裂变（unclear fission）
　　核裂变指是一个原子核分裂成几个原子核的变化，核裂变通常由中子轰击质量数较大的原子核引起，原子核裂变后会形成两个质量相当的部分，并放出能量，有时会导致链式反应的发生。
　　核聚变（nuclear fusion）　
　　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。常见的核聚变发生于氘与氚之间。
　　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，也就是库伦障壁，进而融合起来形成一个新的核。
　　
光谱 主条目：原子轨道
　　在稳定状态下，原子中的电子位于离核最近的轨道上，这时的原子就被称为基态原子；电子吸收能量后跃迁到更高的轨道上，这时原子就处于激发态。由于原子的轨道是量子化的，因此原子的能量发生变化时，会吸收（放出）特定的能量，产生不同的光谱图像，古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）和罗伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunson）最早应用这一性质对不同元素的原子进行鉴定。
　　焰色反应（flame test）
　　当原子的光谱落在可见光区时，肉眼就可以看见不同的颜色，这是有些元素的原子在灼烧时引起火焰颜色变化的原因，这种变化被称为焰色反应，可以粗略地检测某些元素原子的存在。
　　下表给出部分金属（或金属离子）焰色反应产生的颜色
　　类别 锂离子 钠离子 钾离子 铷离子 钙离子 锶离子 钡离子 铜离子
颜色 紫红 黄 淡紫 紫 砖红 洋红 黄绿 绿

　　
价电子 　价电子是原子参与化学反应的电子数，价电子数与原子的化学性质密切相关，对于主族元素来说，价电子数等于其最外层电子数；对于副族元素，价电子数包括最外层电子数和次外层的d（有时还包括f）轨道的电子数，元素周期表中通常会用电子排布式标示一个特定元素的价电子。根据价电子的不同，元素周期表可以分为s区、p区、d区、ds区、f区[12]。
　　化合价
　　
电离能
　　电离能的大小反映了原子失去电子的难易。电离能愈小，原子失去电子愈易，反之同理；电离能的大小和原子的有效电荷、原子半径和电子排布有很大关系。
　　第一电离能
　　基态气体原子失去电子成为带一个正电荷的气态正离子所需的能量称为第一电离能，一般来说，若不作说明，电离能即第一电离能。
　　1st～10th
　　以下是目前已发现所有元素的第一到第十电离能。数据来源不详[19]。单位：kJ/mol（千焦/摩尔）
　　 1st 2nd 3rd 4th 5th 6th 7th 8th 9th 10th
氢 1312.0
氦 2372.3 5250.5
锂 520.2 7298.1 11815.0
铍 899.5 1757.1 14848.7 21006.6
硼 800.6 2427.1 3659.7 25025.8 32826.7
碳 1086.5 2352.6 4620.5 6222.7 37831 47277.0
氮 1402.3 2856 4578.1 7475.0 9444.9 53266.6 64360
氧 1313.9 3388.3 5300.5 7469.2 10989.5 13326.5 71330 84078.0
氟 1681.0 3374.2 6050.4 8407.7 11022.7 15164.1 17868 92038.1 106434.3
氖 2080.7 3952.3 6122 9371 12177 15238 19999.0 23069.5 115379.5 131432
钠 495.8 4562 6910.3 9543 13354 16613 20117 25496 28932 141362
镁 737.7 1450.7 7732.7 10542.5 13630 18020 21711 25661 31653 35458
铝 577.5 1816.7 2744.8 11577 14842 18379 23326 27465 31853 38473
硅 786.5 1577.1 3231.6 4355.5 16091 19805 23780 29287 33878 38726
磷 1011.8 1907 2914.1 4963.6 6273.9 21267 25431 29872 35905 40950
硫 999.6 2252 3357 4556 7004.3 8495.8 27107 31719 36621 43177
氯 1251.2 2298 3822 5158.6 6542 9362 11018 33604 38600 43961
氩 1520.6 2665.8 3931 5771 7238 8781 11995 13842 40760 46186
钾 418.8 3052 4420 5877 7975 9590 11343 14944 16963.7 48610
钙 589.8 1145.4 4912.4 6491 8153 10496 12270 14206 18191 20385
钪 633.1 1235.0 2388.6 7090.6 8843 10679 13310 15250 17370 21726
钛 658.8 1309.8 2652.5 4174.6 9581 11533 13590 16440 18530 20833
钒 650.9 1414 2830 4507 6298.7 12363 14530 16730 19860 22240
铬 652.9 1590.6 2987 4743 6702 8744.9 15455 17820 20190 23580
锰 717.3 1509.0 3248 4940 6990 9220 11500 18770 21400 23960
铁 762.5 1561.9 2957 5290 7240 9560 12060 14580 22540 25290
钴 760.4 1648 3232 4950 7670 9840 12440 15230 17959 26570
镍 737.1 1753.0 3395 5300 7339 10400 12800 15600 18600 21670
铜 745.5 1957.9 3555 5536 7700 9900 13400 16000 19200 22400
锌 906.4 1733.3 3833 5731 7970 10400 12900 16800 19600 23000
镓 578.8 1979.3 2963 6180
锗 762 1537.5 3302.1 4411 9020
砷 947.0 1798 2735 4837 6043 12310
硒 941.0 2045 2973.7 4144 6590 7880 14990
溴 1139.9 2103 3470 4560 5760 8550 9940 18600
氪 1350.8 2350.4 3565 5070 6240 7570 10710 12138 22274 25880
铷 403.0 2633 3860 5080 6850 8140 9570 13120 14500 26740
锶 549.5 1064.2 4138 5500 6910 8760 10230 11800 15600 17100
钇 600 1180 1980 5847 7430 8970 11190 12450 14110 18400
锆 640.1 1270 2218 3313 7752 9500
铌 652.1 1380 2416 3700 4877 9847 12100
钼 684.3 1560 2618 4480 5257 6640.8 12125 13860 15835 17980
锝 702 1470 2850
钌 710.2 1620 2747
铹 719.7 1740 2997
钯 804.4 1870 3177
银 731.0 2070 3361
镉 867.8 1631.4 3616
铟 558.3 1820.7 2704 5210
锡 708.6 1411.8 2943.0 3930.3 7456
锑 834 1594.9 2440 4260 5400 10400
碲 869.3 1790 2698 3610 5668 6820 13200
碘 1008.4 1845.9 3180
氙 1170.4 2046.4 3099.4
铯 375.7 2234.3 3400
钡 502.9 965.2 3600
镧 538.1 1067 1850.3 4819 5940
铈 534.4 1050 1949 3547 6325 7490
镨 527 1020 2086 3761 5551
钕 533.1 1040 2130 3900
钷 540 1050 2150 3970
钐 544.5 1070 2260 3990
铕 547.1 1085 2404 4120
轧 593.4 1170 1990 4250
铽 565.8 1110 2114 3839
镝 573.0 1130 2200 3990
钬 581.0 1140 2204 4100
铒 589.3 1150 2194 4120
铥 596.7 1160 2285 4120
镱 603.4 1174.8 2417 4203
镥 523.5 1340 2022.3 4370 6445
铪 658.5 1440 2250 3216
钽 761 1500
钨 770 1700
铼 760 1260 2510 3640
锇 840 1600
铱 880 1600
铂 870 1791
金 890.1 1980
汞 1007.1 1810 3300
铊 589.4 1971 2878
铅 715.6 1450.5 3081.5 4083 6640
铋 703 1610 2466 4370 5400 8520
钋 812.1
砹 910

　　
电子亲和能

　　
　　第一电子亲和能
　　元素的一个基态气体原子得到一个电子成为一价气态负离子时所放出的能量称为该元素的电子亲和能（Y）。元素的电子亲和能表示得到一个电子形成负离子时放出的能量；若为负值，则表示要吸收能量（亲和能为负值的通常是金属，很难形成负离子）。
　　电子亲和能是元素氧化性的一个衡量标准，电子亲和能越大，该原子得电子的倾向越大，该原子对应元素的非金属性越强，电子亲和能的规律性并不强
　　由于条件限制，电子亲和能还没有准确的测定方法，不同文献的电子亲和能大小相差较大，也未表现出周期变化规律，所以电子亲和能的应用并不广泛[12][20]。
　　以下给出部分主族元素元素电子亲和能大小，数据取自《化学－物质结构与性质（选修）》（2004年[12]）。
　　元素 氢 锂 铍 硼 碳 氮 氧 氟 钠
Y 72.8 59.6 －48.6 26.7 122 －7 141 328 52.9
元素 镁 铝 硅 磷 硫 氯 钾 钙 镓
Y －38.6 42.5 134 72 200 349 48.4 －28.9 28.9
元素 锗 砷 硒 溴 铷 锶 铟 锡 碲
Y 119 78.2 195 325 46.9 －28.9 28.9 107 190
元素 碘 铯 钡 铊 铅 铋 钋 砹
Y 295 45.5 －28.9 19.3 35.1 91.3 183 270

　　第二（及以上）电子亲和能
　　第二（及以上）电子亲和能对于任何元素均为负值，基本无意义[20]。
　　
电负性 电负性是一组表示原子在分子成键时对电子吸引力的相对数值，电负性综合考虑了电离能和电子亲合能，首先由莱纳斯·卡尔·鲍林（L.C.Pauling）于1932年提出。元素电负性数值越大，原子在形成化学键时对成键电子的吸引力越强。
　　计算方法
　　电负性的计算方法有多种，每一种方法的电负性数值都不同，比较有代表性的有3种
　　① 鲍林提出的标度。根据热化学数据和分子的键能，指定氟的电负性为3.98，计算其他元素的相对电负性。
　　②密立根从电离势和电子亲合能计算的绝对电负性。
　　③阿莱提出的建立在核和成键原子的电子静电作用基础上的电负性。利用电负性值时，必须是同一套数值进行比较。
　　电负性表
　　下表给出了常见元素的电负性大小，数据取自《化学－物质结构与性质（选修）》（2004年[12]）。
　　元素 氢 氦 锂 铍 硼 碳 氮 氧 氟
电负性 2.1 － 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
元素 氖 钠 镁 铝 硅 磷 硫 氯 氩
电负性 － 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.5 3.0 －
元素 钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴
电负性 0.8 1.0 1.3 1.5 1.6 1.6 1.5 1.8 1.8
元素 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪
电负性 1.8 1.9 1.6 1.6 1.8 2.0 2.4 2.8 －
元素 铷 锶 钇 锆 铌 钼 锝 钌 铑
电负性 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 1.9 2.2 2.2
元素 钯 银 镉 铟 锡 锑 碲 碘 氙
电负性 2.2 1.9 1.7 1.7 1.8 1.9 2.1 2.5
元素 铯 钡
电负性 0.7 0.9

　　电负性的周期规律
　　同一周期从左至右，有效核电荷递增，原子半径递减，对电子的吸引能力渐强，因而电负性值递增；同族元素从上到下，随着原子半径的增大，元素电负性值递减。过渡元素的电负性值无明显规律。就总体而言，周期表右上方的典型非金属元素都有较大电负性数值，氟的电负性值数大（4.0）；周期表左下方的金属元素电负性值都较小，铯和钫是电负性最小的元素（0.7）。一般说来，非金属元素的电负性大于2.0，金属元素电负性小于2.0。
　　电负性概念还可以用来判断化合物中元素的正负化合价和化学键的类型。电负性值较大的元素在形成化合物时，由于对成键电子吸引较强，往往表现为负化合价；而电负性值较小者表现为正化合价。在形成共价键时，共用电子对偏移向电负性较强的原子而使键带有极性，电负性差越大，键的极性越强。当化学键两端元素的电负性相差很大时（例如大于1.7）所形成的键则以离子性为主。

鉴定方法
　　STM拍摄到的Br原子图像扫描隧道显微镜
　主条目：扫描隧道显微镜　
　　扫描隧道显微镜（STM）可以识别并鉴定单个原子。STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行科学观测[21]。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区域。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[22]。
　　
质谱 　　　
　　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。质谱仪就利用了这个原理来测定离子的质荷比。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耦合等离子体发射光谱以及电感耦合等离子体质谱。这两种技术都使用了气态或等离子态的样品。
　　 电子能量损失谱 　　　
　　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书穿越一个样品后所损失的能量。原子探针显像具有三维亚纳米级的分辨率，也可以通过飞行时间质谱仪来鉴定单个的原子。
　　
激发态光谱
　　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。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。

产生与存在 　　
核合成 　　
　　稳定的质子和电子在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。在理论上，最初的原子（有束缚的电子）是在大爆炸后大约380,000 年产生的，这个时代称为重新结合，在这时宇宙已经冷却到足以使电子与原子核结合了。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，产生直到最稳定的核素铁-56。
　　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。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-过程产生，或在AGB星中通过s-过程产生，两种过程中都有中子被原子核捕获。像铅那样的元素，大都是从更重的元素通过核衰变产生的。　
　　 　
地球 　　
　　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。大部分地壳中的氦都是α衰变的产物。
　　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。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。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。（超铀元素的寿命比地球现在的年龄短，因此许多这类的元素都早已衰变了，只有微量的钚-244例外。钚和镎的自然矿藏是在铀矿中通过中子捕获产生的。）
　　地球含有大约1.33x10^50个原子。在地球的大气层中，含有少量的惰性气体原子，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、双原子的氧气和氮气。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、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。

罕见理论 　　
稳定岛
　　根据原子壳层结构理论，当原子核中构成粒子组合体的质子和中子数是幻数（magic number）时，该核将特别稳定，在1965～1966年，W.D.Myers等人经过计算，得出Z=114，N=184的核为双幻数核，其周围将存在一系列超稳定的超重原子，这就是稳定岛。
　　
反物质
　　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。然而，1996年，在日内瓦的欧洲核子研究中心，首次合成了反氢──氢的反物质。
　　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渺子代替，形成渺子原子。这些类型的原子可以用来测试物理学的基本预言[23]。