|
Out
Out
==Tính chất==
===Tính chất hạt nhân===
{{chính|Đồng vị|Đồng vị bền}}
Theo định nghĩa, bất kỳ hai nguyên tử với cùng số ''proton'' trong hạt nhân thì thuộc về cùng một [[nguyên tố hóa học]]. Các nguyên tử có cùng số proton nhưng khác số ''neutron'' là những đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố. Ví dụ, mọi nguyên tử hiđrô chỉ chứa một proton, nhưng có đồng vị không chứa neutron ([[hiđrô|hiđrô-1]], là dạng phổ biến nhất,<ref name=matis2000/> hay còn gọi là protium), chứa một neutron ([[deuteri]]), hai neutron ([[triti]]) và nhiều hơn hai neutron. Các nguyên tố đã biết lập thành một tập nguyên tử số, từ nguyên tố chứa 1 proton hiđrô cho đến nguyên tố chứa 118 proton [[ununoctium]].<ref name=weiss20061017/> Tất cả các đồng vị đã biết của nguyên tố có nguyên tử số lớn hơn 82 là đồng vị phóng xạ.{{sfn|Sills|2003|pp=131–134}}<ref name=dume20030423/>
Các nhà vật lý hạt nhân biết khoảng 339 nuclit xuất hiện trong [[tự nhiên]] trên [[Trái Đất]],<ref name=lidsay20000730/> trong số đó 254 (khoảng 75%) nuclit không có tính phân rã, và thường gọi là "[[đồng vị bền]]". Tuy nhiên, chỉ 90 trong số những nuclit này là ổn định đối với mọi phân rã, thậm chí ngay cả trên lý thuyết. Còn lại 164 (trong tổng số 254) thì người ta vẫn chưa quan sát thấy chúng phân rã, vì trên lý thuyết chúng có mức năng lượng hạt nhân cao. Và các nhà khoa học thường phân loại chúng một cách hình thức thuộc dạng "bền". Thêm khoảng 34 nuclit phóng xạ có nửa thời gian sống hơn 80 triệu năm, đủ lâu để có mặt từ lúc hình thành [[Hệ Mặt Trời]]. Tổng số 288 nuclit này gọi là các nuclit nguyên thủy. Cuối cùng, có thêm khoảng 51 nuclit với nửa thời gian sống ngắn mà các nhà khoa học biết chúng tồn tại trong tự nhiên, như là sản phẩm phân rã của các nuclit nguyên thủy (như [[radi]] từ [[urani]]), hoặc là những sản phẩm của các quá trình năng lượng cao trong tự nhiên trên Trái Đất, như do các [[tia vũ trụ]] bắn phá (ví dụ, [[cacbon-14]]).<ref name=tuli2005/><ref group=ct>Bảng dữ liệu cập nhật xem tại [http://www.nndc.bnl.gov/chart Interactive Chart of Nuclides (Brookhaven National Laboratory)].</ref><!-- Xem bài [[danh sách nuclit]]. Những số này dẫn ra từ [[WP:CALC]] (bảng đếm), chứ không phải [[WP:OR]]-->
Đối với 80 nguyên tố hóa học, mỗi nguyên tố có ít nhất một [[đồng vị bền]] tồn tại. Như một quy tắc, chỉ có một số nhất định đồng vị bền cho mỗi nguyên tố, trung bình khoảng 3,2 đồng vị bền trên một nguyên tố. 26 nguyên tố chỉ có duy nhất một đồng vị ổn định, trong khi nguyên tố có nhiều đồng vị bền nhất đã được xác nhận đó là [[thiếc]] với 10 đồng vị bền. Nguyên tố [[Tecneti|43]], [[promethi|61]], [[Bitmut|83]] và mọi nguyên tố có nguyên tử số cao hơn đều không có đồng vị bền.<ref name=CRC>CRC Handbook (2002).</ref>
Tính ổn định của đồng vị bị ảnh hưởng bởi tỉ số của proton trên neutron, và cũng bởi sự có mặt của những "số thần kỳ" xác định của neutron hay proton mà xuất hiện làm đầy hoặc gần với lớp vỏ lượng tử trong mô hình cấu trúc hạt nhân. Những vỏ lượng tử này tương ứng với tập mức năng lượng trong [[mô hình vỏ hạt nhân]]; những vỏ được lấp đầy, như vỏ lượng tử của thiếc chứa đầy 50 proton, lại được coi là có tính ổn định kỳ lạ đối với nuclit (hay số thần kỳ là 50). Trong 254 nuclit bền đã biết, chỉ có bốn nuclit bền chứa đồng thời số lẻ proton ''và'' số lẻ neutron: hiđrô-2 ([[deuteri]]), [[liti-6]], [[boron-10]] và [[nitơ-14]]. Cũng vậy, chỉ có bốn nuclit xuất hiện trong tự nhiên với đồng thời số lẻ proton và neutron có nửa thời gian sống trên một tỷ năm: [[kali-40]], [[vanadium-50]], [[lanthanum-138]] và [[tantalum-180m]]. Đa số các hạt nhân có đồng thời số lẻ proton và neutron đều mất ổn định và nhanh chóng phân rã beta, bởi vì sản phẩm phân rã chứa số chẵn đồng thời proton và neutron, và do vậy liên kết chặt với nhau hơn, do hiệu ứng bắt cặp hạt nhân (theo nguyên lý loại trừ Pauli, một proton có [[spin]] lên sẽ có xu hướng bắt cặp với một proton có spin xuống, và tương tự cho neutron, điều này dẫn đến xu hướng có đồng thời số chẵn cả proton và neutron trong hạt nhân).<ref name=CRC/>
===Khối lượng===
{{chính|Nguyên tử lượng|Số khối}}
Phần lớn khối lượng của nguyên tử là do đóng góp của proton và neutron trong hạt nhân của nó. Tổng những hạt này (gọi là "nucleon") trong một nguyên tử gọi là [[số khối]]. Số khối đơn giản chỉ là một số tự nhiên, có đơn vị là "nucleon." Ví dụ sử dụng số khối là "cacbon-12," có 12 nucleon (6 proton và 6 neutron).
Khối lượng thực của nguyên tử khi nó đứng yên (khối lượng bất biến, khối lượng nghỉ) thường được biểu diễn bằng [[đơn vị khối lượng nguyên tử]] (u), hay đôi khi gọi là một dalton (Da). Đơn vị này được xác định bằng một phần mười hai khối lượng nghỉ của nguyên tử tự do trung hòa điện [[cacbon-12]], với khối lượng xấp xỉ {{val|1.66|e=-27|u=kg}}.<ref name=iupac/> [[hiđrô|hiđrô-1]], đồng vị nhẹ nhất của hiđrô và là nguyên tử nhẹ nhất, có khối lượng nghỉ bằng 1,007825 u.<ref name=chieh2001/> Giá trị của số này gọi là [[nguyên tử lượng]]. Một nguyên tử có nguyên tử lượng xấp xỉ bằng (sai số 1%) số khối của nó nhân với đơn vị khối lượng nguyên tử. Tuy nhiên, giá trị này sẽ không bằng chính xác số khối trừ trường hợp của cacbon-12 (xem bên dưới)<ref name=nist_wc/> Nguyên tử bền nặng nhất là chì-208,{{sfn|Sills|2003|pp=131–134}} có khối lượng là {{val|207.9766521|u=u}}.<ref name=audi2003/>
Ngay cả đối với các nguyên tử nặng nhất cũng quá nhẹ để có thể nghiên cứu trực tiếp và đơn vị khối lượng khá rườm rà, thay vào đó các nhà hóa học sử dụng đơn vị [[Mol]]. Một mol nguyên tử của bất kỳ một nguyên tố hóa học luôn có cùng số lượng nguyên tử (bằng khoảng [[hằng số Avogadro|{{val|6.022|e=23}}]]). Số này được chọn sao cho nếu một nguyên tố có nguyên tử lượng là 1 u, thì 1 mol nguyên tử nguyên tố này có khối lượng xấp xỉ 1 gram. Do định nghĩa của đơn vị khối lượng nguyên tử, mỗi nguyên tử cacbon-12 có nguyên tử khối chính xác bằng 12 u, do vậy 1 mol nguyên tử cacbon-12 có khối lượng chính xác bằng 0,012 kg.<ref name=iupac>Mills ''et al.'' (1993).</ref><!--tham khảo này ở trang trực tuyến http://old.iupac.org/publications/books/gbook/green_book_2ed.pdf nếu ai đó muốn kiểm tra biểu đồ nghiên cứu -->
===Hình dạng và kích thước===
{{chính|Bán kính nguyên tử}}
Nguyên tử không có bề mặt định rõ, do vậy kích thước của nó thường được xác định hình thức bằng thuật ngữ [[bán kính nguyên tử]]. Đại lượng này đo khoảng cách mở rộng đám mây electron tính từ hạt nhân. Tuy nhiên, cách giả sử này không chỉ đúng cho nguyên tử có dạng hình cầu, mà còn đúng cho nguyên tử cô lập trong chân không. Bán kính nguyên tử có thể suy ra từ khoảng cách giữa hai hạt nhân khi hai nguyên tử kết hợp lại theo [[liên kết hóa học]]. Bán kính thay đổi phụ thuộc vị trí của nguyên tử trên bảng tuần hoàn, loại liên kết hóa học, số nguyên tử hay ion lân cận với nó (số tọa độ) và tính chất cơ học lượng tử của nó [[spin]].<ref name=aca32_5_751/> Trên bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học, theo tính toán lý thuyết, kích thước nguyên tử có xu hướng tăng lên khi đi theo cột từ trên xuống, nhưng giảm khi đi theo hàng từ trái sang phải và dữ liệu thực nghiệm đo được khá phù hợp với xu hướng này.<ref name=dong1998/> Hệ quả là nguyên tử có bán kính nhỏ nhất là 32 [[Picômét|pm]], trong khi nguyên tử lớn nhất là [[xesi]] với bán kính 225 pm.<ref>Zumdahl (2002).</ref>
Khi chịu tác động của trường ngoài, như [[điện trường]] và [[từ trường]], hình dạng của nguyên tử có thể bị bẻ lệch khỏi hình cầu. Sự lệch này phụ thuộc vào cường độ của trường và kiểu obitan của lớp vỏ electron ngoài cùng, như được chỉ ra bởi [[lý thuyết nhóm]]. Hình cầu biến dạng có thể xuất hiện trong cấu trúc [[tinh thể]] ở đây khi chịu điện trường mẫu tinh thể có xuất hiện những đối xứng bậc thấp trong dàn tinh thể.<ref name=adp5f_3_133/> Gần đây các nhà tinh thể học chỉ ra sự biến dạng lớn thành [[ellipsoid]] xuất hiện ở ion lưu huỳnh trong tinh thể [[pyrit]].<ref name=pssb245_9_1858/>
[[Tập tin:Table isotopes en.svg|phải|200px|nhỏ|Biểu đồ vẽ các đồng vị và kiểu phân rã thường gặp của mỗi đồng vị theo Z proton và N neutron.]]
[[Tập tin:Isotopes and half-life.svg|phải|200px|nhỏ|Biểu đồ vẽ nửa thời gian sống (T<sub>½</sub>) của các đồng vị theo Z proton và N neutron.]]
Nguyên tử có kích thước nhỏ hơn hàng nghìn lần bước sóng ánh sáng khả kiến (400–700 [[nanômét|nm]]) do vậy chúng ta không thể quan sát nguyên tử bằng [[kính hiển vi quang học]]. Tuy nhiên, có thể quan sát từng nguyên tử bằng thiết bị [[kính hiển vi quét xuyên hầm]]. Để hình dung kích thước rất nhỏ của nguyên tử, đường kính của tóc người bình thường bằng khoảng 1 triệu lần đường kính nguyên tử cacbon.<ref name=osu2007/> Một giọt nước chứa khoảng ({{val|2|e=21}}) nguyên tử [[ôxi]], và gấp hai lần số nguyên tử hiđrô.<ref>Padilla ''et al.'' (2002:32)—"Có 2.000.000.000.000.000.000.000 nguyên tử ôxi trong một giọt nước— và gấp hai lần số nguyên tử hiđrô."</ref> Một [[cara]] [[kim cương]] với khối lượng {{val|2|e=-4|u=kg}} chứa khoảng (10<sup>22</sup>) nguyên tử [[cacbon]].<ref group=ct>Một cara bằng 200 milligram. [[nguyên tử lượng|Theo định nghĩa]], cacbon-12 có khối lượng 0,012 kg trên mol. [[Hằng số Avogadro]] xác định {{val|6|e=23}} nguyên tử trên mol.</ref> Nếu một quả táo phóng to bằng đường kính Trái Đất, thì một nguyên tử trong quả táo có đường kính xấp xỉ kích cỡ quả táo ban đầu.{{sfn|Feynman|1995|p=5}}
===Phân rã phóng xạ===
{{chính|Phóng xạ}}
Mỗi nguyên tố có một hay nhiều đồng vị mà hạt nhân không bền sẽ tiến tới phân rã phóng xạ, và hạt nhân phát ra hạt nhân khác hoặc bức xạ điện từ. Hiện tượng phóng xạ xảy ra khi bán kính của hạt nhân đủ lớn so với bán kính ảnh hưởng của tương tác mạnh, với phạm vi tác động khoảng 1 fm.<ref name=splung/>
Những phản ứng phân rã phóng xạ hay gặp nhất là:{{sfn|L'Annunziata|2003|pp=3–56}}<ref name=firestone20000522/>
*[[Phân rã alpha]] là phản ứng trong đó hạt nhân phát ra hạt alpha, hạt nhân của heli chứa hai proton và hai neutron. Hạt sản phẩm là những nguyên tố mới với [[số nguyên tử]] thấp hơn.
*[[Phân rã beta]] (và [[bắt giữ electron]]) bị kiểm soát bởi [[tương tác yếu]], và kết quả là một neutron biến đổi thành một proton, hoặc một proton thành một neutron. Kiểu đầu tiên đi kèm với sự phát ra một electron và một phản [[neutrino]] electron, trong khi kiểu thứ hai phát ra một [[positron]] và một [[neutrino]] electron. Hạt electron hoặc positron phát ra vì lý do lịch sử mà các nhà vật lý gọi là những hạt beta. Phân rã beta làm tăng hoặc giảm số nguyên tử của hạt nhân 1 đơn vị. Một phản ứng tương tự với phân ra beta của hạt positron trong hạt nhân giàu proton đó là phản ứng bắt electron của hạt nhân, quá trình này thậm chí còn phổ biến hơn phản ứng phát ra positron do nó đòi hỏi ít năng lượng hơn. Trong phản ứng này electron bị hấp thụ bởi hạt nhân hơn là phát positron. Một hạt [[neutrino]] vẫn phát ra trong phản ứng và một proton biến thành một neutron.
*[[tia gamma|Phóng xạ tia gamma]] làm thay đổi mức năng lượng của hạt nhân về trạng thái năng lượng thấp hơn, kết quả là phát ra photon gamma. Phản ứng này có thể xuất hiện sau phân rã alpha hoặc beta từ phân rã phóng xạ.
Một loại phân rã hiếm nữa là sản phẩm phân rã bao gồm những neutron hoặc proton hoặc đám [[nucleon]] từ một hạt nhân, hoặc có nhiều hơn một hạt beta bị bắn ra, hoặc sản phẩm (thông qua biến đổi nội bộ hạt nhân gốc) là những electron năng lượng cao mà không phải là chùm tia beta, hay những photon năng lượng cao không phải là tia gamma. Một vài hạt nhân nổ thành hai hoặc nhiều hạt nhân không cố định đi kèm với một số neutron, trong phân rã tự phát của [[phản ứng phân hạch hạt nhân]].
Mỗi [[đồng vị phóng xạ]] có chu kỳ phân rã đặc trưng — hay nửa thời gian sống — xác định bởi lượng thời gian cần thiết cho một nửa mẫu hạt phân rã. Đây là tiến trình phân rã hàm mũ và giảm dần lượng đồng vị còn lại một nửa sau mỗi chu kỳ phân rã. Do đó sau chu kỳ phân rã thứ hai số hạt đồng vị còn lại chỉ là 25% so với ban đầu, và cứ như thế.<ref name=splung/>
===Mômen từ===
{{chính|Mômen lưỡng cực từ electron|Mômen từ hạt nhân}}
[[Tập tin:Vector model of orbital angular momentum.svg|nhỏ|phải|Minh họa mômen từ xung lượng ℓ của electron.]]
Các hạt cơ bản có một tính chất cơ học lượng tử nội tại gọi là [[spin]]. Tính chất này tương tự như [[động lượng góc]] của một vật quay quanh [[khối tâm]] của nó, mặc dù nói một cách sơ lược những hạt cơ bản được cho là những hạt điểm và không thể hiện tính tự quay quanh trục nào cả. Spin lượng tử hay mômen từ nội tại có đơn vị đo bằng [[hằng số Planck]] thu gọn (ħ), với electron, proton và neutron chúng chỉ có hai giá trị spin ½ ħ, hoặc "spin-½". Trong nguyên tử, các electron bao quanh hạt nhân có mômen động lượng obitan cùng với đặc tính spin, trong khi hạt nhân có mômen động lượng chính nó do spin của hạt nhân.<ref name=hornak2006/>
[[Từ trường]] sinh ra bởi nguyên tử—[[mômen từ]]— được xác định bởi nhiều giá trị mô men động lượng, giống như một vật tích điện chuyển động trong điện từ học cổ điển sinh ra từ trường. Tuy nhiên, đóng góp chủ yếu đến từ spin. Do bản chất các electron tuân theo [[nguyên lý loại trừ Pauli]], hai electron không thể có cùng một trạng thái lượng tử trong một vùng ở cùng thời gian (không có cùng 4 [[số lượng tử]]) và [[quy tắc Hund]] về quy trình phân bố electron trong obitan. Các electron liên kết tạo cặp với nhau trong obitan, với một electron có trạng thái spin lên và electron kia có trạng thái spin xuống. Do vậy trong một cặp, spin lượng tử bị triệt tiêu, dẫn đến tổng mômen lưỡng cực từ bằng 0 trong một số nguyên tử có số chẵn electron với mỗi obitan đã lấp đầy bởi những cặp electron.<ref name=schroeder2/>
Trong các nguyên tố [[sắt từ]] như sắt, niken, chúng có một số electron chưa bắt cặp trong obitan và vì vậy có mômen từ nguyên tử. Obitan của các nguyên tử lân cận phủ lên nhau và xuất hiện một trạng thái năng lượng thấp hơn khi spin của các electron chưa bắt cặp đồng loạt hướng theo nhau, một quá trình gọi là [[tương tác trao đổi]]. Khi mômen từ của các nguyên tử sắt từ sắp hàng, vật liệu sẽ sinh ra một từ trường vĩ mô đo được. Nguyên tử của vật liệu [[thuận từ]] có mômen từ sắp xếp ngẫu nhiên không theo một hướng, nhưng khi có từ trường ngoài thì các mômen từ hưởng ứng theo hướng của từ trường ngoài và có một từ trường vĩ mô nhỏ ở vật liệu thuận từ.<ref name=schroeder2/><ref name=goebel20070901/>
Hạt nhân nguyên tử cũng có spin. Thông thường các hạt nhân có spin định hướng theo những hướng ngẫu nhiên trong [[cân bằng nhiệt động]]. Tuy nhiên, đối với một số nguyên tố (như [[xenon|xenon-129]]) hạt nhân của nó có thể bị phân cực spin theo số lượng lớn của trạng thái spin hạt nhân do vậy chúng có thể sắp hàng theo một hướng— hay hiện tượng siêu phân cực. Spin hạt nhân có một ứng dụng quan trọng trong y học đó là [[Chụp cộng hưởng từ|chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân]].<ref name=yarris1997/>{{sfn|Liang|Haacke|1999|pp=412–426}}
===Mức năng lượng===
[[Tập tin:HAtomOrbitals.png|frame|phải|100px|Các hàm sóng quỹ đạo điện tử của nguyên tử hi-đrô. Các [[số lượng tử chính]] ở bên phải của mỗi hàng và [[số lượng tử xung lượng]] được cho bởi các chữ cái ở đỉnh mỗi cột.]]
Các nhà vật lý quy ước [[thế năng]] của một electron trong nguyên tử có giá trị [[số âm|âm]], và phụ thuộc vào vị trí của nó trong nguyên tử. Nó có giá trị [[cực tiểu]] khi nằm ở gần hạt nhân nhất và quy ước bằng 0 khi nó nằm xa vô cùng so với hạt nhân, hay thế năng của nó tỉ lệ nghịch với khoảng cách. Trong mô hình cơ học lượng tử, một electron liên kết chỉ có thể chiếm những trạng thái lượng tử xung quanh hạt nhân, và mỗi trạng thái tương ứng với một mức năng lượng xác định; xem [[phương trình Schrödinger|phương trình Schrödinger độc lập thời gian]] về cách giải thích lý thuyết. Mức năng lượng có thể đo bằng lượng năng lượng cần thiết để bứt electron tại trạng thái đó ra xa vô cùng, và có đơn vị [[electronvolt]] (eV). Trạng thái năng lượng thấp nhất của electron liên kết gọi là trạng thái năng lượng nền<ref>{{chú thích sách|title=The Feynman Lectures on Physics|volume=3| first1=Richard |last1=Feynman|author1-link=Richard Feynman|first2=Robert |last2=Leighton|first3=Matthew|last3= Sands |year=1965 |publisher=Addison Wesley (published 2005) |chapter=xem phần 2-5 về mức năng lượng, chương 19 về nguyên tử hiđrô}}</ref> và khi một electron chuyển dịch sang mức năng lượng cao hơn thì nó ở vào trạng thái kích thích.<ref name=zeghbroeck1998/> Năng lượng của electron tăng lên khi [[số lượng tử chính]] ''n'' tăng bởi vì khoảng cách trung bình đến hạt nhân tăng. Sự phụ thuộc năng lượng vào [[số lượng tử xung lượng]] [[số lượng tử xung lượng|ℓ]] không phải là do thế năng tĩnh điện với hạt nhân mà là bởi tương tác giữa các electron.
Khi một electron chuyển dịch giữa hai trạng thái năng lượng, nó phải hấp thụ hoặc phát ra một [[photon]] có năng lượng bằng hiệu giữa hai trạng thái năng lượng này.<ref>{{chú thích sách |first=Richard |last=Feynman| authorlink=Richard Feynman| title=QED: The strange theory of light and matter| year=2006| publisher=Princeton University Press| isbn=0-691-12575-9 |chapter = 3-Electrons and Their interactions}}</ref> Năng lượng của một photon tỷ lệ với [[tần số]] của nó, do đó những mức năng lượng xác định này hiện lên thành những dải phân biệt trong phổ điện từ.<ref>Fowles (1989:227–233).</ref> Mỗi nguyên tố có một phổ đặc trưng phụ thuộc vào điện tích hạt nhân, [[cấu hình electron]], tương tác điện từ giữa các electron và bởi những nhân tố khác.<ref name=martin2007/>
[[Tập tin:Fraunhofer lines.svg|phải|nhỏ|400px|Các vạch phổ hấp thụ.]]
Khi ánh sáng với [[phổ điện từ|phổ năng lượng liên tục]] truyền qua chất khí hay [[plasma]], một số nguyên tử hấp thụ photon, khiến cho các electron thay đổi mức năng lượng của nó. Những electron kích thích này vẫn liên kết với nguyên tử của nó và tự phát phóng thích năng lượng qua phát ra photon theo hướng ngẫu nhiên, và trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn. Do vậy nguyên tử thể hiện như một máy lọc tạo ra một dãy các vạch tối trong phổ năng lượng phát ra. (Một người quan sát nguyên tử khi chùm sáng chiếu qua chúng sẽ thấy khi lọc bỏ phổ liên tục thu được dãy phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tử.) Đo lường [[phổ học|phổ]] về cường độ và độ rộng của các vạch phổ nguyên tử cho phép các nhà khoa học xác định được thành phần và tính chất vật lý của chất cần nghiên cứu.<ref name=avogadro/>
Khi nghiên cứu kĩ hơn phổ nguyên tử các nhà vật lý nhận thấy có sự tách vạch trong [[cấu trúc tế vi]]. Sự xuất hiện này là do hiệu ứng spin-quỹ đạo [[thuyết tương đối hẹp|tương đối tính]], khi tính đến ảnh hưởng giữa chuyển động của electron lớp ngoài cùng với spin của nó.<ref name=fitzpatrick20070216/> Khi nguyên tử đặt trong từ trường ngoài, các vạch phổ của nó bị tách thành ba hoặc nhiều vạch; hay [[hiệu ứng Zeeman]]. Hiệu ứng này là do tương tác của từ trường ngoài với mômen từ của nguyên tử và của electron. Một số nguyên tử có nhiều [[cấu hình electron]] với cùng một mức năng lượng, do đó vạch phổ thu được là giống nhau cho những cấu hình này. Khi nguyên tử tương tác với từ trường làm dịch chuyển những cấu hình electron đến một mức năng lượng hơi khác, làm cho xuất hiện nhiều vạch phổ trên quang phổ thu được.<ref name=weiss2001/> Sự có mặt của một điện trường ngoài cũng làm tách và dịch chuyển vạch phổ và thay đổi đáng kể mức năng lượng của electron, hay [[hiệu ứng Stark]].{{sfn|Beyer|2003|pp=232–236}}
[[Tập tin:Laser, principe de fonctionnement.ogv|nhỏ|upright=1.5|Minh họa sự hoạt động của laser.]]
Nếu electron liên kết trong trạng thái kích thích, một photon tương tác với năng lượng riêng có thể gây ra hiệu ứng [[phát xạ kích thích]] cho một photon với năng lượng phù hợp với mức kích thích. Để điều này xảy ra, electron phải trở về trạng thái năng lượng thấp hơn mà có hiệu năng lượng giữa hai trạng thái chuyển dịch bằng với năng lượng của photon tương tác. Photon phát ra và photon tương tác di chuyển song song và có cùng pha với nhau, phản xạ qua lại giữa hai gương. Khi đó, phần sóng của hai photon được đồng bộ hóa. Tính chất vật lý này được ứng dụng để chế tạo các loại [[laser]], một chùm sóng điện từ kết hợp với tần số đồng bộ.<ref name=watkins_sjsu/>
===Hóa trị và liên kết hóa học===
{{chính|Hóa trị|Liên kết hóa học}}
Lớp vỏ electron ngoài cùng của nguyên tử cô lập trong trạng thái chưa kết hợp gọi là [[vỏ electron|vỏ hóa trị]], và các electron trong lớp vỏ này gọi là [[electron hóa trị]]. Số các electron hóa trị xác định lên tính chất [[liên kết hóa học]] giữa các nguyên tử với nhau. Nguyên tử có xu hướng [[phản ứng hóa học|phản ứng]] với nhau theo cách lấp đầy (hoặc làm trống) các vỏ hóa trị ngoài cùng của chúng.<ref name=reusch20070716/> Ví dụ, sự truyền đổi một electron giữa các nguyên tử là một cách xấp xỉ tốt cho liên kết hình thành giữa một nguyên tử cần thêm một electron là đầy lớp vỏ hóa trị với một nguyên tử khi bớt một electron nó sẽ đầy lớp vỏ, cách liên kết này xuất hiện trong hợp chất [[natri clorua]] và những muối ion khác. Tuy nhiên, nhiều nguyên tố có nhiều số hóa trị, và có xu hướng chia sẻ nhiều electron khác nhau trong những hợp chất khác nhau. Như thế, các liên kết hóa học giữa những nguyên tố hình thành theo kiểu chia sẻ nhiều electron hơn là chỉ truyền đổi một electron. Ví dụ này bao gồm nguyên tố cacbon và các [[hợp chất hữu cơ]].<ref name=chemguide/>
Tính chất hóa học của các nguyên tố thể hiện tính tuần hoàn khi sắp xếp trên bảng tuần hoàn, và các nguyên tố với cùng số electron hóa trị tạo thành một nhóm trong cùng một cột của bảng. (Hàng ngang tương ứng với sự lấp đầy lớp vỏ electron.) Các nguyên tố ở phía ngoài cùng bên phải của bảng có lớp vỏ hóa trị đã được lấp đầy electron, khiến cho những nguyên tố này rất thụ động trong các phản ứng hóa học, hay còn gọi là [[khí hiếm]].<ref name=husted20031211/><ref name=baum2003/>
===Trạng thái===
{{chính|Trạng thái vật chất|Pha vật chất}}
[[Tập tin:Bose Einstein condensate.png|trái|nhỏ|Hình ảnh cho thấy xuất hiện dạng [[ngưng tụ Bose–Einstein]].]]
Các nguyên tử tham gia cấu thành lên những trạng thái vật chất khác nhau phụ thuộc vào những điều kiện vật lý, như [[mật độ]], [[nhiệt độ]] và [[áp suất]]. Khi những điều kiện này thay đổi đến điều kiện giới hạn, xảy ra sự chuyển pha vật chất giữa các pha [[chất rắn|rắn]], [[chất lỏng|lỏng]], [[chất khí|khí]] và [[plasma]].
{{sfn|Goodstein|2002|pp=436–438}} Trong một trạng thái, vật liệu cũng thể hiện những dạng [[thù hình]] khác nhau. Ví dụ như đối với cacbon rắn, nó có thể hiện như [[graphen]], [[than chì|graphit]] hay [[kim cương]].<ref name=pu49_7_719/> Dạng thù hình trong chất khí cũng tồn tại, như [[ôxi|diôxi]] và [[ôzôn|ozone]].
Khi giảm nhiệt độ một số loại nguyên tử gần tới [[độ không tuyệt đối]], chúng hình thành lên dạng vật chất nhiệt độ thấp mà các nhà vật lý gọi là [[ngưng tụ Bose–Einstein]], lúc này các hiệu ứng lượng tử thể hiện rõ rệt mà thường chỉ quan sát được ở phạm vi nguyên tử sẽ thể hiện ở cấp độ vĩ mô.{{sfn|Myers|2003|p=85}}<ref name=nist_bec/> Tập hợp các nguyên tử siêu lạnh này hành xử như một siêu nguyên tử khổng lồ, cho phép các nhà vật lý kiểm tra các đặc tính lượng tử mới, như [[giao thoa nguyên tử]].<ref name=colton_fyffe1999/>
{{Clear}}
==Quan sát và thăm dò==
| 