Atome

Les atomes sont les particules de base des éléments chimiques . Un atome est constitué d'un noyau de protons et généralement de neutrons , entouré d'un essaim d' électrons liés électromagnétiquement . Les éléments chimiques se distinguent les uns des autres par le nombre de protons qu'ils contiennent. Par exemple, tout atome contenant 11 protons est du sodium , et tout atome contenant 29 protons est du cuivre . Les atomes ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons sont appelés isotopes du même élément.

Les atomes sont extrêmement petits, mesurant généralement environ 100 picomètres de diamètre. Un cheveu humain mesure environ un million d'atomes de carbone de large. Les atomes sont plus petits que la plus courte longueur d'onde de la lumière visible, ce qui signifie que les humains ne peuvent pas voir les atomes avec des microscopes conventionnels. Ils sont si petits qu'il est impossible de prédire avec précision leur comportement à l'aide de la physique classique en raison des effets quantiques .

Plus de 99,9994 % la masse d'un atome se trouve dans le noyau. Les protons ont une charge électrique positive et les neutrons n'ont pas de charge, le noyau est donc chargé positivement. Les électrons sont chargés négativement, et cette charge opposée est ce qui les lie au noyau. Si le nombre de protons et d'électrons est égal, comme c'est normalement le cas, alors l'atome est électriquement neutre dans son ensemble. Si un atome a plus d'électrons que de protons, il a alors une charge globale négative et est appelé ion négatif (ou anion). Inversement, s'il a plus de protons que d'électrons, il a une charge positive et est appelé ion positif (ou cation).

Les électrons d'un atome sont attirés vers les protons du noyau atomique par la force électromagnétique . Les protons et les neutrons du noyau sont attirés les uns vers les autres par la force nucléaire . Cette force est généralement plus forte que la force électromagnétique qui repousse les protons chargés positivement les uns des autres. Dans certaines circonstances, la force électromagnétique de répulsion devient plus forte que la force nucléaire. Dans ce cas, le noyau se divise et laisse derrière lui différents éléments . Il s'agit d'une forme de désintégration nucléaire .

Les atomes peuvent se lier à un ou plusieurs autres atomes par des liaisons chimiques pour former des composés chimiques tels que des molécules ou des cristaux . La capacité des atomes à se lier et à se détacher les uns des autres est responsable de la plupart des changements physiques observés dans la nature. La chimie est la science qui étudie ces changements.

L'idée de base selon laquelle la matière est constituée de minuscules particules indivisibles est une idée ancienne qui est apparue dans de nombreuses cultures antiques. Le mot atome est dérivé du mot grec ancien atomos , qui signifie « indivisible ». Mais cette idée ancienne était basée sur un raisonnement philosophique plutôt que scientifique. La théorie atomique moderne ne repose pas sur ces anciens concepts. Au début du 19e siècle, le scientifique John Dalton a trouvé des preuves que la matière est réellement composée d'unités discrètes, et a donc appliqué le mot atome à ces unités.

Au début des années 1800, John Dalton a compilé des données expérimentales recueillies par lui et d'autres scientifiques et a découvert un modèle connu aujourd'hui sous le nom de « loi des proportions multiples ». Il a remarqué que dans tout groupe de composés chimiques qui contiennent tous deux éléments chimiques particuliers, la quantité d'élément A par mesure d'élément B différera entre ces composés selon des rapports de petits nombres entiers. Ce modèle suggérait que chaque élément se combine avec d'autres éléments en multiples d'une unité de poids de base, chaque élément ayant une unité de poids unique. Dalton a décidé d'appeler ces unités « atomes ».

Par exemple, il existe deux types d' oxyde d'étain : l'un est une poudre grise contenant 88,1 % d'étain et 11,9 % d'oxygène, et l'autre est une poudre blanche contenant 78,7 % d'étain et 21,3 % d'oxygène. En ajustant ces chiffres, dans la poudre grise, il y a environ 13,5 g d'oxygène pour 100 g d'étain, et dans la poudre blanche, il y a environ 27 g d'oxygène pour 100 g d'étain. 13,5 et 27 forment un rapport de 1:2. Dalton a conclu que dans l'oxyde gris, il y a un atome d'oxygène pour chaque atome d'étain, et dans l'oxyde blanc, il y a deux atomes d'oxygène pour chaque atome d'étain ( SnO et SnO2 ). ₇

Dalton a également analysé les oxydes de fer . Il existe un type d'oxyde de fer qui est une poudre noire contenant 78,1 % de fer et 21,9 % d'oxygène ; et il existe un autre type d'oxyde de fer qui est une poudre rouge contenant 70,4 % de fer et 29,6 % d'oxygène. En ajustant ces chiffres, dans la poudre noire, il y a environ 28 g d'oxygène pour 100 g de fer, et dans la poudre rouge, il y a environ 42 g d'oxygène pour 100 g de fer. 28 et 42 forment un rapport de 2:3. Dalton a conclu que dans ces oxydes, pour deux atomes de fer, il y a respectivement deux ou trois atomes d'oxygène ( Fe ₂ O ₂ et Fe ₂ O ₃ ).

Dernier exemple : l'oxyde nitrique contient 63,3 % d'azote et 36,7 % d'oxygène, l'oxyde nitrique contient 44,05 % d'azote et 55,95 % d'oxygène et le dioxyde d'azote contient 29,5 % d'azote et 70,5 % d'oxygène. En ajustant ces chiffres, l'oxyde nitrique contient 80 g d'oxygène pour 140 g d'azote, l'oxyde nitrique contient environ 160 g d'oxygène pour 140 g d'azote et le dioxyde d'azote contient 320 g d'oxygène pour 140 g d'azote. 80, 160 et 320 forment un rapport de 1:2:4. Les formules respectives de ces oxydes sont N2O _{, NO} et NO2 . [ 10 ]

En 1897, J.J. Thomson a découvert que les rayons cathodiques ne sont pas une forme de lumière mais sont constitués de particules chargées négativement car elles peuvent être déviées par des champs électriques et magnétiques. Il a mesuré que ces particules étaient au moins mille fois plus légères que l'hydrogène (l'atome le plus léger). Il a appelé ces nouvelles particules corpuscules mais elles ont été plus tard renommées électrons car ce sont les particules qui transportent l'électricité. Thomson a également montré que les électrons étaient identiques aux particules émises par les matériaux photoélectriques et radioactifs. Thomson a expliqué qu'un courant électrique est le passage d'électrons d'un atome à l'autre, et lorsqu'il n'y avait pas de courant, les électrons s'intégraient dans les atomes. Cela signifiait à son tour que les atomes n'étaient pas indivisibles comme le pensaient les scientifiques. L'atome était composé d'électrons dont la charge négative était équilibrée par une source de charge positive pour créer un atome électriquement neutre. Les ions, a expliqué Thomson, doivent être des atomes qui ont un excès ou un manque d'électrons.

Les électrons de l'atome devaient logiquement être équilibrés par une quantité proportionnelle de charge positive, mais Thomson n'avait aucune idée de la provenance de cette charge positive, il proposa donc provisoirement qu'elle soit présente partout dans l'atome, l'atome ayant la forme d'une sphère. C'était l'hypothèse mathématiquement la plus simple pour correspondre aux preuves disponibles, ou à leur absence. À partir de là, Thomson imagina que l'équilibre des forces électrostatiques répartirait les électrons dans toute la sphère d'une manière plus ou moins uniforme. Le modèle de Thomson est connu sous le nom de modèle du pudding aux prunes , bien que ni Thomson ni ses collègues n'aient utilisé cette analogie. Le modèle de Thomson était incomplet, il était incapable de prédire d'autres propriétés des éléments tels que les spectres d'émission et les valences . Il fut bientôt rendu obsolète par la découverte du noyau atomique .

Entre 1908 et 1913, Ernest Rutherford et ses collègues Hans Geiger et Ernest Marsden ont réalisé une série d'expériences dans lesquelles ils ont bombardé de fines feuilles de métal avec un faisceau de particules alpha . Ils ont fait cela pour mesurer les schémas de diffusion des particules alpha. Ils ont repéré un petit nombre de particules alpha déviées selon des angles supérieurs à 90°. Cela n'aurait pas dû être possible selon le modèle de Thomson de l'atome, dont les charges étaient trop diffuses pour produire un champ électrique suffisamment fort. Les déviations auraient dû être toutes négligeables. Rutherford a proposé que la charge positive de l'atome soit concentrée dans un minuscule volume au centre de l'atome et que les électrons entourent ce noyau dans un nuage diffus. Ce noyau transportait presque toute la masse de l'atome, les électrons étant très légers. Seule une concentration de charge aussi intense, ancrée par sa masse élevée, pouvait produire un champ électrique capable de dévier aussi fortement les particules alpha.

Un problème de la mécanique classique est qu'une particule chargée en accélération émet un rayonnement électromagnétique, ce qui fait perdre à la particule son énergie cinétique. Le mouvement circulaire est considéré comme une accélération, ce qui signifie qu'un électron en orbite autour d'une charge centrale devrait descendre en spirale dans ce noyau lorsqu'il perd de la vitesse. En 1913, le physicien Niels Bohr a proposé un nouveau modèle dans lequel les électrons d'un atome étaient supposés orbiter autour du noyau, mais ne pouvaient le faire que dans un ensemble fini d'orbites, et ne pouvaient sauter entre ces orbites que lors de changements discrets d'énergie correspondant à l'absorption ou au rayonnement d'un photon. Cette quantification a été utilisée pour expliquer pourquoi les orbites des électrons sont stables et pourquoi les éléments absorbent et émettent un rayonnement électromagnétique dans des spectres discrets. Le modèle de Bohr ne pouvait prédire que les spectres d'émission de l'hydrogène, pas des atomes ayant plus d'un électron.

En 1815, William Prout a observé que les poids atomiques de nombreux éléments étaient des multiples du poids atomique de l'hydrogène, ce qui est en fait vrai pour tous si l'on prend en compte les isotopes . En 1898, JJ Thomson a découvert que la charge positive d'un ion hydrogène est égale à la charge négative d'un électron, et qu'il s'agissait alors des plus petites particules chargées connues. Thomson a plus tard découvert que la charge positive d'un atome est un multiple positif de la charge négative d'un électron. En 1913, Henry Moseley a découvert que les fréquences des émissions de rayons X d'un atome excité étaient une fonction mathématique de son numéro atomique et de la charge nucléaire de l'hydrogène. En 1919, Rutherford a bombardé de l' azote gazeux avec des particules alpha et a détecté des ions hydrogène émis par le gaz, et a conclu qu'ils étaient produits par des particules alpha frappant et divisant les noyaux des atomes d'azote.

Ces observations ont conduit Rutherford à conclure que le noyau d'hydrogène est une particule singulière avec une charge positive égale à la charge négative de l'électron. Il a nommé cette particule « proton » en 1920. Le nombre de protons dans un atome (que Rutherford a appelé le « numéro atomique » ) s'est avéré égal au numéro ordinal de l'élément dans le tableau périodique et a donc fourni un moyen simple et clair de distinguer les éléments les uns des autres. Le poids atomique de chaque élément est supérieur à son nombre de protons, donc Rutherford a émis l'hypothèse que le poids excédentaire était porté par des particules inconnues sans charge électrique et d'une masse égale à celle du proton.

En 1928, Walter Bothe a observé que le béryllium émettait un rayonnement électriquement neutre et très pénétrant lorsqu'il était bombardé de particules alpha. On a découvert plus tard que ce rayonnement pouvait faire tomber des atomes d'hydrogène de la paraffine . On a d'abord pensé qu'il s'agissait d' un rayonnement gamma de haute énergie , car le rayonnement gamma avait un effet similaire sur les électrons des métaux, mais James Chadwick a découvert que l' effet d'ionisation était trop fort pour être dû au rayonnement électromagnétique, tant que l'énergie et l'impulsion étaient conservées dans l'interaction. En 1932, Chadwick a exposé divers éléments, tels que l'hydrogène et l'azote, au mystérieux « rayonnement du béryllium », et en mesurant les énergies des particules chargées en recul, il a déduit que le rayonnement était en fait composé de particules électriquement neutres qui ne pouvaient pas être sans masse comme le rayon gamma, mais devaient au contraire avoir une masse similaire à celle d'un proton. Chadwick a alors déclaré que ces particules étaient les neutrons de Rutherford.

En 1925, Werner Heisenberg publie la première formulation mathématique cohérente de la mécanique quantique ( mécanique matricielle ). Un an plus tôt, Louis de Broglie avait proposé que toutes les particules se comportent dans une certaine mesure comme des ondes, et en 1926 Erwin Schrödinger a utilisé cette idée pour développer l' équation de Schrödinger , qui décrit les électrons comme des formes d'onde tridimensionnelles plutôt que comme des points dans l'espace. Une conséquence de l'utilisation de formes d'onde pour décrire les particules est qu'il est mathématiquement impossible d'obtenir des valeurs précises pour la position et l'impulsion d'une particule à un instant donné. Cela est devenu connu sous le nom de principe d'incertitude , formulé par Werner Heisenberg en 1927. Dans ce concept, pour une précision donnée dans la mesure d'une position, on ne peut obtenir qu'une plage de valeurs probables pour l'impulsion, et vice versa. Ainsi, le modèle planétaire de l'atome a été abandonné au profit d'un modèle décrivant les zones orbitales atomiques autour du noyau où un électron donné est le plus susceptible d'être trouvé. Ce modèle était capable d'expliquer des observations du comportement atomique que les modèles précédents ne pouvaient pas, comme certains modèles structurels et spectraux d'atomes plus gros que l'hydrogène.

Bien que le mot atome désignait à l'origine une particule qui ne peut pas être découpée en particules plus petites, dans le langage scientifique moderne, l'atome est composé de diverses particules subatomiques . Les particules constitutives d'un atome sont l' électron , le proton et le neutron .

L'électron est la moins massive de ces particules de quatre ordres de grandeur à9,11 × 10 ⁻³¹ kg , avec une charge électrique négative et une taille trop petite pour être mesurée à l'aide des techniques disponibles. C'était la particule la plus légère avec une masse au repos positive mesurée, jusqu'à la découverte de la masse du neutrino . Dans des conditions ordinaires, les électrons sont liés au noyau chargé positivement par l'attraction créée par des charges électriques opposées. Si un atome a plus ou moins d'électrons que son numéro atomique, alors il devient respectivement chargé négativement ou positivement dans son ensemble ; un atome chargé est appelé un ion . Les électrons sont connus depuis la fin du 19e siècle, principalement grâce à JJ Thomson ; voir l'histoire de la physique subatomique pour plus de détails.

Les protons ont une charge positive et une masse de1,6726 × 10 ⁻²⁷ kg . Le nombre de protons dans un atome est appelé son numéro atomique . Ernest Rutherford (1919) a observé que l'azote sous bombardement de particules alpha éjecte ce qui semble être des noyaux d'hydrogène. En 1920, il avait accepté que le noyau d'hydrogène était une particule distincte au sein de l'atome et l'avait nommé proton .

Les neutrons n'ont pas de charge électrique et ont une masse de1,6749 × 10 ⁻²⁷ kg . Les neutrons sont les plus lourdes des trois particules constitutives, mais leur masse peut être réduite par l' énergie de liaison nucléaire . Les neutrons et les protons (collectivement appelés nucléons ) ont des dimensions comparables, de l'ordre de2,5 × 10 ⁻¹⁵ m — bien que la « surface » de ces particules ne soit pas clairement définie. Le neutron a été découvert en 1932 par le physicien anglais James Chadwick .

Dans le modèle standard de la physique, les électrons sont de véritables particules élémentaires sans structure interne, tandis que les protons et les neutrons sont des particules composites composées de particules élémentaires appelées quarks . Il existe deux types de quarks dans les atomes, chacun ayant une charge électrique fractionnaire. Les protons sont composés de deux quarks up (chacun avec une charge + ⁠2/3⁠ ) ​​et un quark down (avec une charge de − ⁠1/3⁠ ). Les neutrons sont constitués d'un quark up et de deux quarks down. Cette distinction explique la différence de masse et de charge entre les deux particules.

Les quarks sont maintenus ensemble par l' interaction forte (ou force forte), qui est transmise par les gluons . Les protons et les neutrons, à leur tour, sont maintenus les uns aux autres dans le noyau par la force nucléaire , qui est un résidu de la force forte qui a des propriétés de portée quelque peu différentes (voir l'article sur la force nucléaire pour plus d'informations). Le gluon est un membre de la famille des bosons de jauge , qui sont des particules élémentaires qui transmettent des forces physiques.

Tous les protons et neutrons liés dans un atome constituent un minuscule noyau atomique et sont collectivement appelés nucléons . Le rayon d'un noyau est approximativement égal à femtomètres , où est le nombre total de nucléons. Ce rayon est bien plus petit que le rayon de l'atome, qui est de l'ordre de 10 ⁵ fm. Les nucléons sont liés entre eux par un potentiel attractif à courte portée appelé force résiduelle forte . À des distances inférieures à 2,5 fm, cette force est bien plus puissante que la force électrostatique qui fait que les protons chargés positivement se repoussent les uns les autres.

Les atomes d'un même élément possèdent le même nombre de protons, appelé numéro atomique . Au sein d'un même élément, le nombre de neutrons peut varier, déterminant l' isotope de cet élément. Le nombre total de protons et de neutrons détermine le nucléide . Le nombre de neutrons par rapport aux protons détermine la stabilité du noyau, certains isotopes subissant une désintégration radioactive .

Le proton, l'électron et le neutron sont classés comme des fermions . Les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli qui interdit aux fermions identiques , tels que plusieurs protons, d'occuper le même état quantique au même moment. Ainsi, chaque proton du noyau doit occuper un état quantique différent de tous les autres protons, et il en va de même pour tous les neutrons du noyau et pour tous les électrons du nuage électronique.

Un noyau qui possède un nombre différent de protons et de neutrons peut potentiellement passer à un état d'énergie inférieur par une désintégration radioactive qui fait que le nombre de protons et de neutrons correspond plus étroitement. En conséquence, les atomes ayant un nombre correspondant de protons et de neutrons sont plus stables face à la désintégration, mais avec l'augmentation du nombre atomique, la répulsion mutuelle des protons nécessite une proportion croissante de neutrons pour maintenir la stabilité du noyau.

Le nombre de protons et de neutrons dans le noyau atomique peut être modifié, bien que cela puisse nécessiter des énergies très élevées en raison de l'interaction forte. La fusion nucléaire se produit lorsque plusieurs particules atomiques se joignent pour former un noyau plus lourd, par exemple par la collision énergétique de deux noyaux. Par exemple, au cœur du Soleil, les protons nécessitent des énergies de 3 à 10 keV pour surmonter leur répulsion mutuelle (la barrière de Coulomb ) et fusionner en un seul noyau. La fission nucléaire est le processus inverse, provoquant la division d'un noyau en deux noyaux plus petits, généralement par désintégration radioactive. Le noyau peut également être modifié par bombardement de particules subatomiques ou de photons de haute énergie. Si cela modifie le nombre de protons dans un noyau, l'atome se transforme en un autre élément chimique.

Si la masse du noyau après une réaction de fusion est inférieure à la somme des masses des particules séparées, alors la différence entre ces deux valeurs peut être émise sous forme d'énergie utilisable (comme un rayon gamma ou l'énergie cinétique d'une particule bêta ), comme le décrit la formule d'équivalence masse-énergie d' Albert Einstein , E=mc2 ^, où m est la perte de masse et c est la vitesse de la lumière . Ce déficit fait partie de l' énergie de liaison du nouveau noyau, et c'est la perte irrécupérable de l'énergie qui fait que les particules fusionnées restent ensemble dans un état qui nécessite cette énergie pour se séparer.

La fusion de deux noyaux qui créent des noyaux plus gros avec des numéros atomiques inférieurs à ceux du fer et du nickel (un nombre total de nucléons d'environ 60) est généralement un processus exothermique qui libère plus d'énergie que nécessaire pour les réunir. C'est ce processus de libération d'énergie qui fait de la fusion nucléaire dans les étoiles une réaction auto-entretenue. Pour les noyaux plus lourds, l'énergie de liaison par nucléon commence à diminuer. Cela signifie qu'un processus de fusion produisant un noyau ayant un numéro atomique supérieur à environ 26 et un nombre de masse supérieur à environ 60 est un processus endothermique . Ainsi, les noyaux plus massifs ne peuvent pas subir une réaction de fusion produisant de l'énergie qui puisse maintenir l' équilibre hydrostatique d'une étoile.

Les électrons d'un atome sont attirés par les protons du noyau par la force électromagnétique . Cette force lie les électrons à l'intérieur d'un puits de potentiel électrostatique entourant le noyau plus petit, ce qui signifie qu'une source d'énergie externe est nécessaire pour que l'électron s'échappe. Plus un électron est proche du noyau, plus la force d'attraction est grande. Par conséquent, les électrons liés près du centre du puits de potentiel nécessitent plus d'énergie pour s'échapper que ceux qui se trouvent à des distances plus importantes.

Les électrons, comme les autres particules, ont les propriétés d'une particule et d'une onde . Le nuage d'électrons est une région à l'intérieur du puits de potentiel où chaque électron forme un type d' onde stationnaire tridimensionnelle , une forme d'onde qui ne bouge pas par rapport au noyau. Ce comportement est défini par une orbitale atomique , une fonction mathématique qui caractérise la probabilité qu'un électron semble se trouver à un endroit particulier lorsque sa position est mesurée. Seul un ensemble discret (ou quantifié) de ces orbitales existe autour du noyau, car d'autres modèles d'ondes possibles se désintègrent rapidement en une forme plus stable. Les orbitales peuvent avoir une ou plusieurs structures en anneau ou en nœud, et différer les unes des autres en taille, en forme et en orientation.

Chaque orbitale atomique correspond à un niveau d'énergie particulier de l'électron. L'électron peut changer d'état pour atteindre un niveau d'énergie supérieur en absorbant un photon ayant suffisamment d'énergie pour le propulser dans le nouvel état quantique. De même, par émission spontanée , un électron dans un état d'énergie supérieur peut chuter vers un état d'énergie inférieur tout en rayonnant l'excès d'énergie sous forme de photon. Ces valeurs d'énergie caractéristiques, définies par les différences d'énergie des états quantiques, sont responsables des lignes spectrales atomiques .

La quantité d’énergie nécessaire pour retirer ou ajouter un électron (l’ énergie de liaison des électrons ) est bien inférieure à l’ énergie de liaison des nucléons . Par exemple, il ne faut que 13,6 eV pour arracher un électron de l’état fondamental d’un atome d’hydrogène , contre 2,23 millions d’eV pour scinder un noyau de deutérium . Les atomes sont électriquement neutres s’ils ont un nombre égal de protons et d’électrons. Les atomes qui ont soit un déficit, soit un surplus d’électrons sont appelés ions [56]. Les électrons les plus éloignés du noyau peuvent être transférés à d’autres atomes proches ou partagés entre les atomes. Par ce mécanisme, les atomes sont capables de se lier en molécules et en d’autres types de composés chimiques comme les cristaux de réseaux ioniques et covalents .

Par définition, deux atomes ayant un nombre identique de protons dans leurs noyaux appartiennent au même élément chimique . Les atomes ayant un nombre égal de protons mais un nombre différent de neutrons sont des isotopes différents du même élément. Par exemple, tous les atomes d'hydrogène admettent exactement un proton, mais il existe des isotopes sans neutrons ( hydrogène-1 , de loin la forme la plus courante, également appelé protium), un neutron ( deutérium ), deux neutrons ( tritium ) et plus de deux neutrons . Les éléments connus forment un ensemble de numéros atomiques, de l'élément hydrogène à un seul proton jusqu'à l'élément oganesson à 118 protons . Tous les isotopes connus des éléments ayant un numéro atomique supérieur à 82 sont radioactifs, bien que la radioactivité de l'élément 83 ( bismuth ) soit si faible qu'elle est pratiquement négligeable.

Environ 339 nucléides sont présents naturellement sur Terre , dont 251 (environ 74 %) n'ont pas été observés en désintégration et sont appelés « isotopes stables ». Seuls 90 nucléides sont théoriquement stables , tandis que 161 autres (ce qui porte le total à 251) n'ont pas été observés en désintégration, même si en théorie cela est énergétiquement possible. Ceux-ci sont également formellement classés comme « stables ». Trente-cinq autres nucléides radioactifs ont des demi-vies supérieures à 100 millions d'années et sont suffisamment durables pour être présents depuis la naissance du système solaire . Cet ensemble de 286 nucléides est connu sous le nom de nucléides primordiaux . Enfin, 53 autres nucléides à vie courte sont connus pour être présents naturellement, en tant que produits de filiation de la désintégration de nucléides primordiaux (comme le radium de l'uranium ), ou en tant que produits de processus énergétiques naturels sur Terre, comme le bombardement de rayons cosmiques (par exemple, le carbone 14).

Pour 80 éléments chimiques, il existe au moins un isotope stable . En règle générale, il n'existe qu'une poignée d'isotopes stables pour chacun de ces éléments, la moyenne étant de 3,1 isotopes stables par élément. Vingt-six « éléments monoisotopiques » n'ont qu'un seul isotope stable, tandis que le plus grand nombre d'isotopes stables observés pour un élément est de dix, pour l'élément étain . Les éléments 43 , 61 et tous les éléments numérotés 83 ou plus n'ont pas d'isotopes stables.

La stabilité des isotopes est affectée par le rapport protons/neutrons, ainsi que par la présence de certains « nombres magiques » de neutrons ou de protons qui représentent des couches quantiques fermées et remplies. Ces couches quantiques correspondent à un ensemble de niveaux d'énergie au sein du modèle de couche du noyau ; les couches remplies, comme la couche remplie de 50 protons pour l'étain, confèrent une stabilité inhabituelle au nucléide. Sur les 251 nucléides stables connus, seuls quatre ont à la fois un nombre impair de protons et un nombre impair de neutrons : l'hydrogène-2 ( deutérium ), le lithium-6 , le bore-10 et l'azote-14 . ( Le tantale 180m est impair-impair et stable par observation, mais il est prévu qu'il se désintègre avec une demi-vie très longue.) De plus, seuls quatre nucléides impairs-impairs radioactifs naturels ont une demi-vie supérieure à un milliard d'années : le potassium 40 , le vanadium 50 , le lanthane 138 et le lutétium 176. La plupart des noyaux impairs-impairs sont très instables par rapport à la désintégration bêta , car les produits de désintégration sont pairs-pairs et sont donc plus fortement liés, en raison des effets de pairage nucléaire .

La majeure partie de la masse d'un atome provient des protons et des neutrons qui le composent. Le nombre total de ces particules (appelées « nucléons ») dans un atome donné est appelé nombre de masse . Il s'agit d'un entier positif et sans dimension (au lieu d'avoir une dimension de masse), car il exprime un nombre. Un exemple d'utilisation d'un nombre de masse est le « carbone 12 », qui possède 12 nucléons (six protons et six neutrons).

La masse réelle d'un atome au repos est souvent exprimée en daltons (Da), également appelés unité de masse atomique unifiée (u). Cette unité est définie comme un douzième de la masse d'un atome neutre libre de carbone 12 , ce qui correspond à environ1,66 × 10 ⁻²⁷ kg . L'hydrogène-1 (l'isotope le plus léger de l'hydrogène qui est aussi le nucléide avec la plus petite masse) a un poids atomique de 1,007825 Da. La valeur de ce nombre est appelée masse atomique . Un atome donné a une masse atomique approximativement égale (à 1 %) à son nombre de masse multiplié par l'unité de masse atomique (par exemple, la masse d'un azote-14 est d'environ 14 Da), mais ce nombre ne sera pas exactement un entier sauf (par définition) dans le cas du carbone-12. L' atome stable le plus lourd est le plomb-208, avec une masse de207.976 6521 Da .

Comme même les atomes les plus massifs sont bien trop légers pour être utilisés directement, les chimistes utilisent plutôt l'unité de moles . Une mole d'atomes de n'importe quel élément a toujours le même nombre d'atomes (environ6,022 × 10 ²³ ). Ce nombre a été choisi de telle sorte que si un élément a une masse atomique de 1 u, une mole d'atomes de cet élément a une masse proche d'un gramme. En raison de la définition de l' unité de masse atomique unifiée , chaque atome de carbone 12 a une masse atomique d'exactement 12 Da, et donc une mole d'atomes de carbone 12 pèse exactement 0,012 kg.

Les atomes n'ont pas de limite extérieure bien définie, leurs dimensions sont donc généralement décrites en termes de rayon atomique . Il s'agit d'une mesure de la distance à laquelle le nuage d'électrons s'étend à partir du noyau. Cela suppose que l'atome présente une forme sphérique, ce qui n'est respecté que pour les atomes dans le vide ou l'espace libre. Les rayons atomiques peuvent être dérivés des distances entre deux noyaux lorsque les deux atomes sont joints par une liaison chimique . Le rayon varie en fonction de l'emplacement d'un atome sur le tableau atomique, du type de liaison chimique, du nombre d'atomes voisins ( nombre de coordination ) et d'une propriété de la mécanique quantique connue sous le nom de spin . Dans le tableau périodique des éléments, la taille de l'atome a tendance à augmenter lorsqu'on se déplace vers le bas des colonnes, mais à diminuer lorsqu'on se déplace d'une ligne à l'autre (de gauche à droite). Par conséquent, le plus petit atome est l'hélium avec un rayon de 32 pm , tandis que l'un des plus grands est le césium avec un rayon de 225 pm.

Lorsqu'il est soumis à des forces externes, comme des champs électriques , la forme d'un atome peut s'écarter de la symétrie sphérique . La déformation dépend de l'amplitude du champ et du type orbital des électrons de la couche externe, comme le montrent les considérations de la théorie des groupes . Des déviations asphériques peuvent être provoquées par exemple dans les cristaux , où de grands champs électriques cristallins peuvent se produire sur des sites de réseau à faible symétrie . ellipsoïdales significatives se produisent pour les ions soufre et les ions chalcogènes dans les composés de type pyrite .

Les dimensions atomiques sont des milliers de fois plus petites que les longueurs d'onde de la lumière (400–700 nm ), elles ne peuvent donc pas être observées à l'aide d'un microscope optique , bien que les atomes individuels puissent être observés à l'aide d'un microscope à effet tunnel . Pour visualiser la petitesse de l'atome, considérez qu'un cheveu humain typique mesure environ 1 million d'atomes de carbone de large. Une seule goutte d'eau contient environ 2 sextillions (2 × 10 ²¹ ) atomes d'oxygène et deux fois le nombre d'atomes d'hydrogène. Un diamant d'un seul carat avec une masse de2 × 10 ⁻⁴ kg contiennent environ 10 sextillions (10 ²² ) atomes de carbone . Si une pomme était agrandie à la taille de la Terre, alors les atomes de la pomme auraient approximativement la taille de la pomme d'origine.

Chaque élément possède un ou plusieurs isotopes dont le noyau est instable et qui sont sujets à une désintégration radioactive, ce qui provoque l'émission de particules ou de rayonnement électromagnétique par le noyau. La radioactivité peut se produire lorsque le rayon d'un noyau est grand par rapport au rayon de l'interaction forte, qui n'agit que sur des distances de l'ordre de 1 fm.

Les formes les plus courantes de désintégration radioactive sont :

• Désintégration alpha : ce processus se produit lorsque le noyau émet une particule alpha, qui est un noyau d'hélium constitué de deux protons et de deux neutrons. Le résultat de l'émission est un nouvel élément avec un numéro atomique inférieur .
• Désintégration bêta (et capture d'électrons ) : ces processus sont régulés par l' interaction faible et résultent d'une transformation d'un neutron en proton ou d'un proton en neutron. La transition neutron-proton s'accompagne de l'émission d'un électron et d'un antineutrino , tandis que la transition proton-neutron (sauf en cas de capture d'électrons) provoque l'émission d'un positron et d'un neutrino . Les émissions d'électrons ou de positons sont appelées particules bêta. La désintégration bêta augmente ou diminue le numéro atomique du noyau d'une unité. La capture d'électrons est plus courante que l'émission de positons, car elle nécessite moins d'énergie. Dans ce type de désintégration, un électron est absorbé par le noyau, plutôt qu'un positon émis par le noyau. Un neutrino est toujours émis dans ce processus, et un proton se transforme en neutron.
• Désintégration gamma : ce processus résulte d'un changement du niveau d'énergie du noyau vers un état inférieur, ce qui entraîne l'émission d'un rayonnement électromagnétique. L'état excité d'un noyau qui entraîne l'émission gamma survient généralement après l'émission d'une particule alpha ou bêta. Ainsi, la désintégration gamma suit généralement la désintégration alpha ou bêta.

D'autres types de désintégration radioactive plus rares incluent l'éjection de neutrons ou de protons ou d'amas de nucléons d'un noyau, ou de plusieurs particules bêta . Un analogue de l'émission gamma qui permet aux noyaux excités de perdre de l'énergie d'une manière différente est la conversion interne , un processus qui produit des électrons à grande vitesse qui ne sont pas des rayons bêta, suivis de la production de photons à haute énergie qui ne sont pas des rayons gamma. Quelques gros noyaux explosent en deux ou plusieurs fragments chargés de masses variables plus plusieurs neutrons, dans une désintégration appelée fission nucléaire spontanée .

Chaque isotope radioactif a une période de désintégration caractéristique, la demi-vie , qui est déterminée par le temps nécessaire à la désintégration de la moitié d'un échantillon. Il s'agit d'un processus de désintégration exponentielle qui diminue progressivement la proportion de l'isotope restant de 50 % à chaque demi-vie. Ainsi, après deux demi-vies, il ne reste plus que 25 % de l'isotope, et ainsi de suite.

Les particules élémentaires possèdent une propriété mécanique quantique intrinsèque appelée spin . Elle est analogue au moment angulaire d'un objet qui tourne autour de son centre de masse , bien qu'à proprement parler, ces particules soient considérées comme ponctuelles et ne peuvent pas être considérées comme tournantes. Le spin est mesuré en unités de la constante de Planck réduite (ħ), les électrons, les protons et les neutrons ayant tous un spin 1 ⁄ 2 ħ, ou « spin- 1 ⁄ 2 ». Dans un atome, les électrons en mouvement autour du noyau possèdent un moment angulaire orbital en plus de leur spin, tandis que le noyau lui-même possède un moment angulaire dû à son spin nucléaire.

Le champ magnétique produit par un atome, son moment magnétique , est déterminé par ces différentes formes de moment angulaire, tout comme un objet chargé en rotation produit classiquement un champ magnétique, mais la contribution la plus dominante vient du spin des électrons. En raison de la nature des électrons qui obéissent au principe d'exclusion de Pauli , dans lequel deux électrons ne peuvent pas se trouver dans le même état quantique , les électrons liés s'associent, avec un membre de chaque paire dans un état de spin vers le haut et l'autre dans l'état opposé, de spin vers le bas. Ainsi, ces spins s'annulent, réduisant le moment dipolaire magnétique total à zéro dans certains atomes ayant un nombre pair d'électrons.

Dans les éléments ferromagnétiques tels que le fer, le cobalt et le nickel, un nombre impair d'électrons conduit à un électron non apparié et à un moment magnétique global net. Les orbitales des atomes voisins se chevauchent et un état d'énergie inférieur est atteint lorsque les spins des électrons non appariés sont alignés les uns avec les autres, un processus spontané connu sous le nom d' interaction d'échange . Lorsque les moments magnétiques des atomes ferromagnétiques sont alignés, le matériau peut produire un champ macroscopique mesurable. Les matériaux paramagnétiques ont des atomes avec des moments magnétiques qui s'alignent dans des directions aléatoires en l'absence de champ magnétique, mais les moments magnétiques des atomes individuels s'alignent en présence d'un champ.

Le noyau d'un atome n'a pas de spin lorsqu'il contient un nombre pair de neutrons et de protons, mais dans d'autres cas de nombres impairs, le noyau peut avoir un spin. Normalement, les noyaux avec spin sont alignés dans des directions aléatoires en raison de l'équilibre thermique , mais pour certains éléments (comme le xénon-129 ), il est possible de polariser une proportion significative des états de spin nucléaire de sorte qu'ils soient alignés dans la même direction, une condition appelée hyperpolarisation . Cela a des applications importantes en imagerie par résonance magnétique .

L' énergie potentielle d'un électron dans un atome est négative par rapport à l'infini lorsque la distance au noyau tend vers l'infini ; sa dépendance à la position de l'électron atteint le minimum à l'intérieur du noyau, à peu près en proportion inverse de la distance. Dans le modèle de la mécanique quantique, un électron lié ne peut occuper qu'un ensemble d' états centrés sur le noyau, et chaque état correspond à un niveau d'énergie spécifique ; voir l'équation de Schrödinger indépendante du temps pour une explication théorique. Un niveau d'énergie peut être mesuré par la quantité d'énergie nécessaire pour détacher l'électron de l'atome, et est généralement donné en unités d' électronvolts (eV). L'état d'énergie le plus bas d'un électron lié est appelé l'état fondamental, c'est-à-dire l'état stationnaire , tandis qu'une transition d'électron vers un niveau supérieur entraîne un état excité. L'énergie de l'électron augmente avec n car la distance (moyenne) au noyau augmente. La dépendance de l'énergie sur ℓ n'est pas causée par le potentiel électrostatique du noyau, mais par l'interaction entre les électrons.

Pour qu'un électron puisse passer d'un état à l'autre , par exemple de l'état fondamental au premier état excité , il doit absorber ou émettre un photon à une énergie correspondant à la différence d'énergie potentielle de ces niveaux, selon le modèle de Niels Bohr , ce qui peut être calculé avec précision par l' équation de Schrödinger . Les électrons sautent entre les orbitales à la manière des particules. Par exemple, si un seul photon frappe les électrons, un seul électron change d'état en réponse au photon ; voir Propriétés des électrons .

L'énergie d'un photon émis est proportionnelle à sa fréquence , de sorte que ces niveaux d'énergie spécifiques apparaissent comme des bandes distinctes dans le spectre électromagnétique . Chaque élément possède un spectre caractéristique qui peut dépendre de la charge nucléaire, des sous-couches remplies d'électrons, des interactions électromagnétiques entre les électrons et d'autres facteurs.

Lorsqu'un spectre continu d'énergie traverse un gaz ou un plasma, certains des photons sont absorbés par les atomes, ce qui entraîne un changement de niveau d'énergie des électrons. Les électrons excités qui restent liés à leur atome émettent spontanément cette énergie sous forme de photon, voyageant dans une direction aléatoire, et retombent ainsi à des niveaux d'énergie inférieurs. Ainsi, les atomes se comportent comme un filtre qui forme une série de bandes d'absorption sombres dans la sortie d'énergie. (Un observateur qui regarde les atomes d'un point de vue qui n'inclut pas le spectre continu en arrière-plan voit à la place une série de lignes d'émission provenant des photons émis par les atomes.) Les mesures spectroscopiques de la force et de la largeur des lignes spectrales atomiques permettent de déterminer la composition et les propriétés physiques d'une substance.

Un examen attentif des lignes spectrales révèle que certaines présentent une fine séparation de structure. Cela se produit en raison du couplage spin-orbite , qui est une interaction entre le spin et le mouvement de l'électron le plus externe. Lorsqu'un atome se trouve dans un champ magnétique externe, les lignes spectrales se divisent en trois composantes ou plus ; un phénomène appelé effet Zeeman . Cela est dû à l'interaction du champ magnétique avec le moment magnétique de l'atome et de ses électrons. Certains atomes peuvent avoir plusieurs configurations électroniques avec le même niveau d'énergie, qui apparaissent ainsi comme une seule ligne spectrale. L'interaction du champ magnétique avec l'atome déplace ces configurations électroniques vers des niveaux d'énergie légèrement différents, ce qui donne lieu à plusieurs lignes spectrales. La présence d'un champ électrique externe peut provoquer une séparation et un décalage comparables des lignes spectrales en modifiant les niveaux d'énergie des électrons, un phénomène appelé effet Stark .

Si un électron lié est dans un état excité, un photon en interaction avec l'énergie appropriée peut provoquer l'émission stimulée d'un photon avec un niveau d'énergie correspondant. Pour que cela se produise, l'électron doit tomber dans un état d'énergie inférieur qui a une différence d'énergie correspondant à l'énergie du photon en interaction. Le photon émis et le photon en interaction se déplacent alors en parallèle et avec des phases correspondantes. C'est-à-dire que les modèles d'ondes des deux photons sont synchronisés. Cette propriété physique est utilisée pour fabriquer des lasers , qui peuvent émettre un faisceau cohérent d'énergie lumineuse dans une bande de fréquence étroite.

La valence est le pouvoir de combinaison d'un élément. Elle est déterminée par le nombre de liaisons qu'il peut former avec d'autres atomes ou groupes. La couche électronique la plus externe d'un atome dans son état non combiné est connue sous le nom de couche de valence , et les électrons de cette couche sont appelés électrons de valence . Le nombre d'électrons de valence détermine le comportement de liaison avec d'autres atomes. Les atomes ont tendance à réagir chimiquement les uns avec les autres d'une manière qui remplit (ou vide) leurs couches de valence externes. Par exemple, un transfert d'un seul électron entre des atomes est une approximation utile pour les liaisons qui se forment entre des atomes avec un électron de plus qu'une couche pleine, et d'autres qui ont un électron de moins qu'une couche pleine, comme cela se produit dans le composé chlorure de sodium et d'autres sels ioniques chimiques. De nombreux éléments présentent des valences multiples ou des tendances à partager un nombre différent d'électrons dans différents composés. Ainsi, la liaison chimique entre ces éléments prend de nombreuses formes de partage d'électrons qui sont plus que de simples transferts d'électrons. Les exemples incluent l’élément carbone et les composés organiques .

Les éléments chimiques sont souvent présentés dans un tableau périodique disposé de manière à afficher des propriétés chimiques récurrentes, et les éléments ayant le même nombre d'électrons de valence forment un groupe aligné dans la même colonne du tableau. (Les lignes horizontales correspondent au remplissage d'une couche quantique d'électrons.) Les éléments à l'extrême droite du tableau ont leur couche externe complètement remplie d'électrons, ce qui donne des éléments chimiquement inertes connus sous le nom de gaz nobles .

Les quantités d'atomes se trouvent dans différents états de la matière qui dépendent des conditions physiques, telles que la température et la pression . En faisant varier les conditions, les matériaux peuvent passer de l'état solide , liquide , gazeux et plasma . Au sein d'un état, un matériau peut également exister dans différents allotropes . Un exemple de ceci est le carbone solide, qui peut exister sous forme de graphite ou de diamant . Des allotropes gazeux existent également, tels que le dioxygène et l'ozone .

À des températures proches du zéro absolu , les atomes peuvent former un condensat de Bose-Einstein , auquel cas les effets de la mécanique quantique, qui ne sont normalement observés qu'à l'échelle atomique, deviennent apparents à l'échelle macroscopique. Cet ensemble d'atomes surfondus se comporte alors comme un seul superatome , ce qui peut permettre des vérifications fondamentales du comportement de la mécanique quantique.

Bien que les atomes soient trop petits pour être vus, des appareils tels que le microscope à effet tunnel (STM) permettent de les visualiser à la surface des solides. Le microscope utilise le phénomène de tunnel quantique , qui permet aux particules de traverser une barrière qui serait insurmontable dans la perspective classique. Les électrons traversent le vide entre deux électrodes polarisées , fournissant un courant tunnel qui dépend de manière exponentielle de leur séparation. Une électrode est une pointe acérée se terminant idéalement par un seul atome. À chaque point du balayage de la surface, la hauteur de la pointe est ajustée de manière à maintenir le courant tunnel à une valeur définie. La mesure dans laquelle la pointe se déplace vers et loin de la surface est interprétée comme le profil de hauteur. Pour une faible polarisation, le microscope image les orbitales électroniques moyennes sur des niveaux d'énergie très serrés - la densité locale des états électroniques près du niveau de Fermi . En raison des distances impliquées, les deux électrodes doivent être extrêmement stables ; c'est seulement alors que des périodicités correspondant à des atomes individuels peuvent être observées. La méthode seule n’est pas chimiquement spécifique et ne peut pas identifier les espèces atomiques présentes à la surface.

Les atomes peuvent être facilement identifiés par leur masse. Si un atome est ionisé en retirant un de ses électrons, sa trajectoire lorsqu'il traverse un champ magnétique se courbera. Le rayon selon lequel la trajectoire d'un ion en mouvement est tournée par le champ magnétique est déterminé par la masse de l'atome. Le spectromètre de masse utilise ce principe pour mesurer le rapport masse/charge des ions. Si un échantillon contient plusieurs isotopes, le spectromètre de masse peut déterminer la proportion de chaque isotope dans l'échantillon en mesurant l'intensité des différents faisceaux d'ions. Les techniques de vaporisation des atomes comprennent la spectroscopie d'émission atomique à plasma à couplage inductif et la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif , qui utilisent toutes deux un plasma pour vaporiser les échantillons en vue de leur analyse.

Le tomographe à sonde atomique a une résolution inférieure au nanomètre en 3D et peut identifier chimiquement des atomes individuels à l'aide de la spectrométrie de masse à temps de vol .

Les techniques d'émission d'électrons telles que la spectroscopie de photoélectrons X (XPS) et la spectroscopie d'électrons Auger (AES), qui mesurent les énergies de liaison des électrons centraux , sont utilisées pour identifier les espèces atomiques présentes dans un échantillon de manière non destructive. Avec une focalisation appropriée, les deux peuvent être rendues spécifiques à une zone. Une autre méthode de ce type est la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS), qui mesure la perte d'énergie d'un faisceau d'électrons dans un microscope électronique à transmission lorsqu'il interagit avec une partie d'un échantillon.

Les spectres d' états excités peuvent être utilisés pour analyser la composition atomique d' étoiles lointaines. Les longueurs d' onde spécifiques de la lumière observée en provenance des étoiles peuvent être séparées et reliées aux transitions quantifiées dans les atomes de gaz libres. Ces couleurs peuvent être reproduites à l'aide d'une lampe à décharge contenant le même élément. L'hélium a été découvert de cette manière dans le spectre du Soleil 23 ans avant sa découverte sur Terre.

Français La matière baryonique représente environ 4 % de la densité énergétique totale de l' univers observable , avec une densité moyenne d'environ 0,25 particules/m ³ (principalement des protons et des électrons). Dans une galaxie comme la Voie lactée , les particules ont une concentration beaucoup plus élevée, la densité de matière dans le milieu interstellaire (MIS) allant de 10 ⁵ à 10 ⁹ atomes/m ³ . On pense que le Soleil est à l'intérieur de la bulle locale , donc la densité dans le voisinage solaire n'est que d'environ 10 ³ atomes/m ³ . Les étoiles se forment à partir de nuages ​​denses dans le milieu interstellaire, et les processus évolutifs des étoiles entraînent l'enrichissement constant du milieu interstellaire avec des éléments plus massifs que l'hydrogène et l'hélium.

Jusqu'à 95 % de la matière baryonique de la Voie Lactée est concentrée à l'intérieur des étoiles, où les conditions sont défavorables à la matière atomique. La masse baryonique totale représente environ 10 % de la masse de la galaxie ; le reste de la masse est une matière noire inconnue . La température élevée à l'intérieur des étoiles rend la plupart des « atomes » entièrement ionisés, c'est-à-dire qu'elle sépare tous les électrons des noyaux. Dans les restes stellaires , à l'exception de leurs couches superficielles, une pression immense rend impossible la formation de couches électroniques.

On pense que les électrons existent dans l'Univers depuis les premiers stades du Big Bang . Les noyaux atomiques se forment lors de réactions de nucléosynthèse . En environ trois minutes, la nucléosynthèse du Big Bang a produit la plupart de l' hélium , du lithium et du deutérium de l'Univers, et peut-être une partie du béryllium et du bore .

L'ubiquité et la stabilité des atomes reposent sur leur énergie de liaison , ce qui signifie qu'un atome a une énergie inférieure à celle d'un système non lié du noyau et des électrons. Lorsque la température est bien supérieure au potentiel d'ionisation , la matière existe sous forme de plasma , un gaz d'ions chargés positivement (éventuellement des noyaux nus) et d'électrons. Lorsque la température descend en dessous du potentiel d'ionisation, les atomes deviennent statistiquement favorables. Les atomes (avec leurs électrons liés) ont commencé à dominer les particules chargées 380 000 ans après le Big Bang, une époque appelée recombinaison , lorsque l'Univers en expansion s'est suffisamment refroidi pour permettre aux électrons de se fixer aux noyaux.

Depuis le Big Bang, qui n'a produit ni carbone ni éléments plus lourds , les noyaux atomiques ont été combinés dans les étoiles par le processus de fusion nucléaire pour produire davantage d' hélium et (via le processus triple-alpha ) la séquence d'éléments allant du carbone au fer ; voir nucléosynthèse stellaire pour plus de détails.

Des isotopes tels que le lithium-6, ainsi que certains isotopes de béryllium et de bore, sont générés dans l'espace par spallation des rayons cosmiques . Cela se produit lorsqu'un proton de haute énergie frappe un noyau atomique, provoquant l'éjection d'un grand nombre de nucléons.

Les éléments plus lourds que le fer ont été produits dans les supernovae et les étoiles à neutrons en collision via le processus r , et dans les étoiles AGB via le processus s , qui impliquent tous deux la capture de neutrons par des noyaux atomiques. Des éléments tels que le plomb se sont formés en grande partie par la désintégration radioactive d'éléments plus lourds.

La plupart des atomes qui composent la Terre et ses habitants étaient présents sous leur forme actuelle dans la nébuleuse qui s'est effondrée à partir d'un nuage moléculaire pour former le système solaire . Le reste est le résultat de la désintégration radioactive, et leur proportion relative peut être utilisée pour déterminer l' âge de la Terre grâce à la datation radiométrique . La majeure partie de l' hélium présent dans la croûte terrestre (environ 99 % de l'hélium des puits de gaz, comme le montre sa plus faible abondance en hélium-3 ) est un produit de la désintégration alpha .

Il existe quelques traces d'atomes sur Terre qui n'étaient pas présents au début (c'est-à-dire qui ne sont pas « primordiaux ») et qui ne sont pas le résultat d'une désintégration radioactive. Le carbone 14 est généré en permanence par les rayons cosmiques dans l'atmosphère. Certains atomes sur Terre ont été générés artificiellement, soit délibérément, soit comme sous-produits de réacteurs nucléaires ou d'explosions. Parmi les éléments transuraniens , ceux dont le numéro atomique est supérieur à 92, seuls le plutonium et le neptunium sont présents naturellement sur Terre. Les éléments transuraniens ont des durées de vie radioactives plus courtes que l'âge actuel de la Terre et donc des quantités identifiables de ces éléments se sont désintégrées depuis longtemps, à l'exception de traces de plutonium 244 éventuellement déposées par la poussière cosmique. Les gisements naturels de plutonium et de neptunium sont produits par capture de neutrons dans le minerai d'uranium.

La Terre contient environ1,33 × 10 ⁵⁰ atomes. Bien qu'il existe un petit nombre d'atomes indépendants de gaz nobles , tels que l'argon , le néon et l'hélium , 99 % de l'atmosphère est liée sous forme de molécules, notamment le dioxyde de carbone et l'oxygène et l'azote diatomiques . À la surface de la Terre, une écrasante majorité d'atomes se combinent pour former divers composés, notamment l'eau , le sel , les silicates et les oxydes . Les atomes peuvent également se combiner pour créer des matériaux qui ne sont pas constitués de molécules discrètes, notamment des cristaux et des métaux liquides ou solides . Cette matière atomique forme des arrangements en réseau qui n'ont pas le type particulier d'ordre interrompu à petite échelle associé à la matière moléculaire.

Tous les nucléides dont le numéro atomique est supérieur à 82 ( plomb ) sont connus pour être radioactifs. Aucun nucléide dont le numéro atomique dépasse 92 ( uranium ) n'existe sur Terre sous forme de nucléide primordial , et les éléments plus lourds ont généralement des demi-vies plus courtes. Néanmoins, un « îlot de stabilité » englobant des isotopes à durée de vie relativement longue d'éléments superlourds dont les numéros atomiques sont compris entre 110 et 114 pourrait exister . Les prévisions concernant la demi-vie du nucléide le plus stable de l'île vont de quelques minutes à des millions d'années ]. Dans tous les cas, les éléments superlourds (avec Z > 104) n'existeraient pas en raison de la répulsion coulombienne croissante (qui entraîne une fission spontanée avec des demi-vies de plus en plus courtes) en l'absence de tout effet stabilisateur

À chaque particule de matière correspond une particule d'antimatière de charge électrique opposée. Ainsi, le positon est un antiélectron chargé positivement et l' antiproton est l'équivalent d'un proton chargé négativement . Lorsqu'une particule de matière et une particule d'antimatière correspondante se rencontrent, elles s'annihilent mutuellement. De ce fait, ainsi que d'un déséquilibre entre le nombre de particules de matière et d'antimatière, ces dernières sont rares dans l'univers. Les premières causes de ce déséquilibre ne sont pas encore entièrement comprises, bien que les théories de la baryogenèse puissent offrir une explication. En conséquence, aucun atome d'antimatière n'a été découvert dans la nature. En 1996, l'équivalent antimatière de l'atome d'hydrogène ( antihydrogène ) a été synthétisé au laboratoire du CERN à Genève .

D'autres atomes exotiques ont été créés en remplaçant l'un des protons, neutrons ou électrons par d'autres particules ayant la même charge. Par exemple, un électron peut être remplacé par un muon plus massif , formant ainsi un atome muonique . Ces types d'atomes peuvent être utilisés pour tester les prédictions fondamentales de la physique.