الذرة

إن الفكرة الأساسية القائلة بأن المادة تتكون من جسيمات صغيرة غير قابلة للتجزئة هي فكرة قديمة ظهرت في العديد من الحضارات القديمة. استندت هذه الأفكار القديمة إلى التفكير الفلسفي لا إلى الأدلة العلمية، ولا تستند النظرية الذرية الحديثة إلى هذه المفاهيم القديمة. ^{[ 2 ]} ومع ذلك، فإن كلمة "ذرة" مشتقة من المصطلح الذي استخدمه بعض الفلاسفة اليونانيين القدماء، وهو " أتوموس " (غير قابل للتجزئة).

في أوائل القرن التاسع عشر، جمع جون دالتون بيانات تجريبية جمعها هو وعلماء آخرون، واكتشف نمطًا يُعرف الآن باسم " قانون النسب المتعددة ". لاحظ دالتون أنه في أي مجموعة من المركبات الكيميائية التي تحتوي جميعها على عنصرين كيميائيين محددين، تختلف كمية العنصر (أ) لكل وحدة قياس من العنصر (ب) بين هذه المركبات بنسب أعداد صحيحة صغيرة . يشير هذا النمط إلى أن كل عنصر يتحد مع عناصر أخرى بمضاعفات وحدة وزن أساسية، حيث يمتلك كل عنصر وحدة وزن فريدة. قرر دالتون تسمية هذه الوحدات "ذرات". ^{[ 5 ]}

على سبيل المثال، يوجد نوعان من أكسيد القصدير : أحدهما مسحوق رمادي اللون يتكون من 88.1% قصدير و11.9% أكسجين ، والآخر مسحوق أبيض اللون يتكون من 78.7% قصدير و21.3% أكسجين. وبمقارنة هذه النسب، نجد أن المسحوق الرمادي يحتوي على حوالي 13.5  غرام من الأكسجين لكل 100  غرام من القصدير، بينما يحتوي المسحوق الأبيض على حوالي 27  غرام من الأكسجين لكل 100  غرام من القصدير. تشكل النسبتان 13.5 و27 نسبة 1:2. استنتج دالتون أن الأكسيد الرمادي يحتوي على ذرة أكسجين واحدة لكل ذرة قصدير، بينما يحتوي الأكسيد الأبيض على ذرتي أكسجين لكل ذرة قصدير ( SnO و SnO₂ ⁾ . ^{[ 6 ] [} ₇ ^]

قام دالتون أيضًا بتحليل أكاسيد الحديد . يوجد نوع من أكسيد الحديد على شكل مسحوق أسود يتكون من 78.1% حديد و21.9% أكسجين؛ وهناك نوع آخر على شكل مسحوق أحمر يتكون من 70.4% حديد و29.6% أكسجين. وبمقارنة هذه النسب، نجد أن المسحوق الأسود يحتوي على حوالي 28  غرامًا من الأكسجين لكل 100  غرام من الحديد، بينما يحتوي المسحوق الأحمر على حوالي 42  غرامًا من الأكسجين لكل 100  غرام من الحديد. تشكل النسبتان 28 و42 نسبة 2:3. استنتج دالتون أنه في هذه الأكاسيد، لكل ذرتين من الحديد، توجد ذرتان أو ثلاث ذرات من الأكسجين على التوالي. تُعرف هذه المواد اليوم باسم _أكسيد الحديد الثنائي وأكسيد الحديد الثلاثي ، وصيغتاهما FeO وFe₂O₃ _على التوالي. تُكتب الصيغة الكيميائية لأكسيد الحديد الثنائي عادةً على النحو التالي: FeO، ولكن نظرًا لكونه مادة بلورية، يمكننا كتابتها أيضًا على النحو التالي: Fe₂O₂ ، _{وعند مقارنتها} بـ Fe₂O₃ _{، يتضح} جليًا أن نسبة الأكسجين فيها هي 2:3 . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

كمثال أخير: يتكون أكسيد النيتروز من 63.3% نيتروجين و36.7% أكسجين، بينما يتكون أكسيد النيتريك من 44.05% نيتروجين و55.95% أكسجين، أما ثاني أكسيد النيتروجين فيتكون من 29.5% نيتروجين و70.5% أكسجين. وبمقارنة هذه النسب، نجد أن أكسيد النيتروز يحتوي على 80  غرامًا من الأكسجين لكل 140  غرامًا من النيتروجين، بينما يحتوي أكسيد النيتريك على حوالي 160  غرامًا من الأكسجين لكل 140  غرامًا من النيتروجين، ويحتوي ثاني أكسيد النيتروجين على 320 غرامًا من الأكسجين  لكل 140 غرامًا من النيتروجين. تشكل ^{النسب 80 و}  160 و320 نسبة 1:2:4. الصيغ الكيميائية لهذه الأكاسيد هي N₂O _و NO و NO₂ على التوالي . [ ^{10 ] [} ₁₁ ^]

في عام ١٨٩٧، اكتشف جيه جيه طومسون أن أشعة الكاثود يمكن أن تنحرف بفعل المجالات الكهربائية والمغناطيسية، مما يعني أن أشعة الكاثود ليست شكلاً من أشكال الضوء، بل تتكون من جسيمات مشحونة كهربائياً، وتكون شحنتها سالبة بحسب اتجاه انحرافها. ^{[ ١٢ ]} وقد قاس طومسون وزن هذه الجسيمات، فوجدها أخف بـ ١٧٠٠ مرة من الهيدروجين (أخف ذرة). ^{[ ١٣ ]} أطلق طومسون على هذه الجسيمات الجديدة اسم "الجسيمات "، ولكن أُعيد تسميتها لاحقاً بالإلكترونات لأنها الجسيمات التي تحمل الكهرباء. ^{[ ١٤ ]} كما أثبت طومسون أن الإلكترونات هي نفسها الجسيمات المنبعثة من المواد الكهروضوئية والمشعة. ^{[ ١٥ ]} وأوضح طومسون أن التيار الكهربائي هو انتقال الإلكترونات من ذرة إلى أخرى، وعندما ينعدم التيار، تندمج الإلكترونات في الذرات. وهذا بدوره يعني أن الذرات ليست غير قابلة للانقسام كما كان يعتقد العلماء. تتكون الذرة من إلكترونات تتوازن شحنتها السالبة مع مصدر ما للشحنة الموجبة لتكوين ذرة متعادلة كهربائياً. وأوضح طومسون أن الأيونات يجب أن تكون ذرات تحتوي على فائض أو نقص في الإلكترونات. ^{[ 16 ]}

كان من المنطقي أن تُوازن الإلكترونات في الذرة بكمية متناسبة من الشحنة الموجبة، لكن طومسون لم يكن لديه أدنى فكرة عن مصدر هذه الشحنة، لذا اقترح مبدئيًا أنها موجودة في كل مكان في الذرة، نظرًا لشكلها الكروي. كانت هذه أبسط فرضية رياضية تتوافق مع الأدلة المتاحة، أو بالأحرى انعدامها. وبناءً على ذلك، تخيّل طومسون أن توازن القوى الكهروستاتيكية سيوزع الإلكترونات في جميع أنحاء الكرة بشكل متساوٍ تقريبًا. ^{[ 17 ]} يُعرف نموذج طومسون شعبيًا باسم نموذج حلوى البرقوق ، على الرغم من أن طومسون ولا زملاءه لم يستخدموا هذا التشبيه. ^{[ 18 ]} كان نموذج طومسون غير مكتمل، إذ لم يكن قادرًا على التنبؤ بأي خصائص أخرى للعناصر مثل أطياف الانبعاث والتكافؤات . وسرعان ما أصبح هذا النموذج قديمًا باكتشاف نواة الذرة .

بين عامي 1908 و1913، أجرى إرنست رذرفورد وزميلاه هانز غايغر وإرنست مارسدن سلسلة من التجارب، حيث قاموا بقصف رقائق معدنية رقيقة بحزمة من جسيمات ألفا . كان هدفهم من ذلك قياس أنماط تشتت هذه الجسيمات. لاحظوا انحراف عدد قليل منها بزوايا أكبر من 90 درجة. كان من المفترض أن يكون هذا الانحراف غير ممكن وفقًا لنموذج طومسون للذرة، الذي يفترض أن شحناتها منتشرة للغاية بحيث لا تُنتج مجالًا كهربائيًا قويًا بما يكفي. كان من المفترض أن تكون جميع الانحرافات ضئيلة. اقترح رذرفورد أن الشحنة الموجبة للذرة تتركز في حيز صغير في مركزها، وأن الإلكترونات تُحيط بهذه النواة في سحابة منتشرة. تحمل هذه النواة معظم كتلة الذرة. فقط هذا التركيز الشديد للشحنة، المدعوم بكتلتها الكبيرة، قادر على توليد مجال كهربائي قادر على انحراف جسيمات ألفا بهذه القوة. ^{[ 19 ]}

تتمثل إحدى مشكلات الميكانيكا الكلاسيكية في أن الجسيم المشحون المتسارع يُشع إشعاعًا كهرومغناطيسيًا ، مما يؤدي إلى فقدانه للطاقة الحركية . تُعتبر الحركة الدائرية تسارعًا، ما يعني أن الإلكترون الذي يدور حول شحنة مركزية يجب أن يتحرك حلزونيًا نحو النواة مع تناقص سرعته. في عام 1913، اقترح الفيزيائي نيلز بور نموذجًا جديدًا يفترض أن إلكترونات الذرة تدور حول النواة، ولكن ضمن مجموعة محدودة من المدارات، ولا يمكنها الانتقال بين هذه المدارات إلا بتغيرات منفصلة في الطاقة تُقابل امتصاص أو إشعاع فوتون . [ ^{20 ] استُخدم} هذا التكميم لتفسير استقرار مدارات الإلكترونات، وسبب امتصاص العناصر وانبعاثها للإشعاع الكهرومغناطيسي بأطياف منفصلة. ^{[ 21 ]} لم يستطع نموذج بور التنبؤ إلا بأطياف انبعاث الهيدروجين، وليس الذرات التي تحتوي على أكثر من إلكترون واحد.

في عام 1815، لاحظ ويليام براوت أن الأوزان الذرية للعديد من العناصر هي مضاعفات للوزن الذري للهيدروجين، وهو ما ينطبق في الواقع على جميعها عند أخذ النظائر في الاعتبار. وفي عام 1898، وجد جيه جيه طومسون أن الشحنة الموجبة لأيون الهيدروجين تساوي الشحنة السالبة للإلكترون، وكانت هذه أصغر الجسيمات المشحونة المعروفة آنذاك. ^{[ 22 ]} ثم اكتشف طومسون لاحقًا أن الشحنة الموجبة في الذرة هي مضاعف موجب للشحنة السالبة للإلكترون. ^{[ 23 ]} وفي عام 1913، اكتشف هنري موزلي أن ترددات انبعاثات الأشعة السينية من ذرة مثارة هي دالة رياضية لعددها الذري وشحنة نواة الهيدروجين. وفي عام 1919، قذف رذرفورد غاز النيتروجين بجسيمات ألفا ، ورصد انبعاث أيونات الهيدروجين من الغاز، واستنتج أنها ناتجة عن اصطدام جسيمات ألفا بنوى ذرات النيتروجين وانشطارها. ^{[ 24 ]}

قادت هذه الملاحظات رذرفورد إلى استنتاج أن نواة الهيدروجين جسيم منفرد ذو شحنة موجبة تساوي الشحنة السالبة للإلكترون. ^{[ 25 ]} أطلق على هذا الجسيم اسم " البروتون " عام 1920. ^{[ 26 ]} وُجد أن عدد البروتونات في الذرة (الذي أطلق عليه رذرفورد "العدد الذري " ^{[ 27 ] [ 28 ]} ) يساوي ترتيب العنصر في الجدول الدوري ، مما وفر طريقة بسيطة وواضحة لتمييز العناصر عن بعضها. ولأن الوزن الذري لكل عنصر أكبر من عدد بروتوناته، افترض رذرفورد أن الوزن الزائد تحمله جسيمات مجهولة عديمة الشحنة الكهربائية وكتلة تساوي كتلة البروتون.

في عام ١٩٢٨، لاحظ والتر بوث أن البريليوم يُصدر إشعاعًا عالي النفاذية ومتعادلًا كهربائيًا عند قذفه بجسيمات ألفا. لاحقًا، اكتُشف أن هذا الإشعاع قادر على انتزاع ذرات الهيدروجين من شمع البارافين . في البداية، اعتُقد أنه إشعاع غاما عالي الطاقة ، نظرًا لتأثير غاما المماثل على الإلكترونات في المعادن، لكن جيمس تشادويك وجد أن تأثير التأين كان أقوى من أن يُعزى إلى إشعاع كهرومغناطيسي، طالما أن الطاقة والزخم محفوظان في التفاعل. في عام ١٩٣٢، عرّض تشادويك عناصر مختلفة، مثل الهيدروجين والنيتروجين، لـ"إشعاع البريليوم" الغامض، ومن خلال قياس طاقات الجسيمات المشحونة المرتدة، استنتج أن الإشعاع يتكون في الواقع من جسيمات متعادلة كهربائيًا لا يمكن أن تكون عديمة الكتلة كأشعة غاما، بل يجب أن تكون كتلتها مشابهة لكتلة البروتون. أعلن تشادويك أن هذه الجسيمات هي نيوترونات رذرفورد. ^{[ ٢٩ ]}

في عام 1925، نشر فيرنر هايزنبرغ أول صياغة رياضية متسقة لميكانيكا الكم ( ميكانيكا المصفوفات ). ^{[ 30 ]} قبل ذلك بعام، اقترح لويس دي بروي أن جميع الجسيمات تتصرف كموجات إلى حد ما، ^{[ 31 ]} وفي عام 1926، استخدم إرفين شرودنغر هذه الفكرة لتطوير معادلة شرودنغر ، التي تصف الإلكترونات كموجات ثلاثية الأبعاد بدلاً من نقاط في الفضاء. ^{[ 32 ]} من نتائج استخدام الموجات لوصف الجسيمات أنه من المستحيل رياضيًا الحصول على قيم دقيقة لكل من موضع الجسيم وزخمه عند لحظة زمنية معينة. عُرف هذا بمبدأ عدم اليقين ، الذي صاغه فيرنر هايزنبرغ عام 1927. ^{[ 30 ]} وفقًا لهذا المفهوم، بالنسبة لدقة معينة في قياس الموضع، لا يمكن الحصول إلا على نطاق من القيم المحتملة للزخم، والعكس صحيح. ^{[ 33 ]} وهكذا، تم التخلي عن النموذج الكوكبي للذرة لصالح نموذج يصف مناطق المدارات الذرية حول النواة حيث يُرجح وجود إلكترون معين. ^{[ 34 ] [ 35 ]} وقد استطاع هذا النموذج تفسير ملاحظات السلوك الذري التي عجزت النماذج السابقة عن تفسيرها، مثل بعض الأنماط البنيوية والطيفية للذرات الأكبر من الهيدروجين.

على الرغم من أن كلمة " ذرة" كانت تشير في الأصل إلى جسيم لا يمكن تقسيمه إلى جسيمات أصغر، إلا أن الذرة في الاستخدام العلمي الحديث تتكون من جسيمات دون ذرية مختلفة . وهذه الجسيمات هي الإلكترون والبروتون والنيوترون .

يُعد الإلكترون أقل هذه الجسيمات كتلة بأربعة مراتب من حيث الحجم.^{كتلة جسيم تبلغ} 9.11 × 10⁻³¹ كجم ، يحمل  شحنة كهربائية سالبة ، وحجمه صغير جدًا بحيث لا يمكن قياسه بالتقنيات المتاحة. ^{[ 36 ]} كان أخف جسيم ذي كتلة سكون موجبة تم قياسها، حتى اكتشاف كتلة النيوترينو . في الظروف العادية، ترتبط الإلكترونات بالنواة الموجبة الشحنة بفعل التجاذب الناتج عن الشحنات الكهربائية المتعاكسة. عُرفت الإلكترونات منذ أواخر القرن التاسع عشر، ويعود الفضل في ذلك بشكل كبير إلى جيه جيه طومسون ؛ انظر تاريخ فيزياء الجسيمات دون الذرية لمزيد من التفاصيل.

للبروتونات شحنة موجبة وكتلة مقدارها1.6726 × 10⁻²⁷ كجم . يُطلق ^على  عدد البروتونات في الذرة اسم العدد الذري . لاحظ إرنست رذرفورد (1919) أن النيتروجين عند قصفه بجسيمات ألفا يقذف ما بدا أنه نوى هيدروجين. وبحلول عام 1920، كان قد اقتنع بأن نواة الهيدروجين جسيم مستقل داخل الذرة وأطلق عليها اسم البروتون .

لا تحمل النيوترونات شحنة كهربائية، وكتلتها تساوي1.6749 × 10⁻²⁷ كجم  . ^{[ 37 ] [ 38 ]} النيوترونات هي أثقل الجسيمات الثلاثة المكونة للكون، ولكن يمكن تقليل كتلتها بواسطة ^طاقة الربط النووي . للنيوترونات والبروتونات (المعروفة مجتمعة باسم النيوكليونات ) أبعاد متقاربة - في حدود2.5 × 10⁻¹⁵ متر ^-  على الرغم من أن "سطح" هذه الجسيمات ليس محددًا بدقة. ^{[ 39 ]} تم اكتشاف النيوترون في عام 1932 من قبل الفيزيائي الإنجليزي جيمس تشادويك .

في النموذج القياسي للفيزياء، تُعتبر الإلكترونات جسيمات أولية حقيقية بدون بنية داخلية، بينما البروتونات والنيوترونات جسيمات مركبة تتكون من جسيمات أولية تُسمى الكواركات . يوجد نوعان من الكواركات في الذرات، لكل منهما شحنة كهربائية جزئية. يتكون البروتون من كواركين علويين ( لكل منهما شحنة +2/3 ) وكوارك سفلي واحد ( لشحنة -1/3 ) . أما النيوترونات فتتكون من كوارك علوي واحد وكواركين سفليين. ^{هذا التمييز يُفسر الفرق في} الكتلة والشحنة بين الجسيمين. [ ^{40 ]} [ ^{41 ]}

تترابط الكواركات معًا بفعل التفاعل القوي (أو القوة النووية القوية)، الذي تتوسطه الغلوونات . أما البروتونات والنيوترونات، فتترابط بدورها داخل النواة بفعل القوة النووية ، وهي بقايا القوة النووية القوية ذات خصائص مدى مختلفة نوعًا ما (انظر مقال القوة النووية لمزيد من التفاصيل). الغلوون هو أحد أفراد عائلة بوزونات القياس ، وهي جسيمات أولية تتوسط القوى الفيزيائية. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

تُشكّل جميع البروتونات والنيوترونات المرتبطة في الذرة نواة ذرية صغيرة ، وتُسمى مجتمعةً بالنيوكليونات . نصف قطر النواة يساوي تقريبًا${\displaystyle 1.07{\sqrt[{3}]{A}}}$ الفيمتومتر ، حيث${\displaystyle A}$يمثل العدد الإجمالي للنيوكليونات. ^{[ 42 ]} وهو أصغر بكثير من نصف قطر الذرة، الذي يبلغ حوالي 10⁵ ^{فيمتومتر}  . ترتبط النيوكليونات معًا بقوة تجاذب قصيرة المدى تُسمى القوة النووية القوية المتبقية . عند مسافات أقل من 2.5  فيمتومتر، تكون هذه القوة أقوى بكثير من القوة الكهروستاتيكية التي تتسبب في تنافر البروتونات الموجبة الشحنة. ^{[ 43 ]}

تحتوي ذرات العنصر الواحد على نفس عدد البروتونات، ويُسمى هذا العدد بالعدد الذري . ضمن العنصر الواحد، قد يختلف عدد النيوترونات، مما يُحدد نظير ذلك العنصر. يُحدد العدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات النواة . وتُحدد نسبة عدد النيوترونات إلى البروتونات استقرار النواة، حيث تخضع بعض النظائر للتحلل الإشعاعي . ^{[ 44 ]}

يُصنَّف البروتون والإلكترون والنيوترون ضمن الفرميونات . وتخضع الفرميونات لمبدأ استبعاد باولي الذي يمنع الفرميونات المتطابقة ، مثل البروتونات المتعددة، من شغل نفس الحالة الكمومية في الوقت نفسه. وبالتالي، يجب أن يشغل كل بروتون في النواة حالة كمومية مختلفة عن جميع البروتونات الأخرى، وينطبق الأمر نفسه على جميع نيوترونات النواة وجميع إلكترونات السحابة الإلكترونية. ^{[ 45 ]}

يمكن لنواة ذرة تحتوي على عدد مختلف من البروتونات عن النيوترونات أن تهبط إلى حالة طاقة أدنى من خلال تحلل إشعاعي يؤدي إلى تقارب عدد البروتونات والنيوترونات. ونتيجة لذلك، تكون الذرات ذات الأعداد المتساوية من البروتونات والنيوترونات أكثر استقرارًا ضد التحلل، ولكن مع ازدياد العدد الذري، يتطلب التنافر المتبادل بين البروتونات نسبة متزايدة من النيوترونات للحفاظ على استقرار النواة. ^{[ 45 ]}

يمكن تعديل عدد البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة، على الرغم من أن ذلك قد يتطلب طاقات عالية جدًا بسبب القوة النووية القوية. يحدث الاندماج النووي عندما تتحد جسيمات ذرية متعددة لتكوين نواة أثقل، كما هو الحال عند اصطدام نواتين بطاقة عالية. على سبيل المثال، في قلب الشمس، تحتاج البروتونات إلى طاقات تتراوح بين 3 و10  كيلو إلكترون فولت للتغلب على تنافرها المتبادل - حاجز كولوم - والاندماج معًا لتكوين نواة واحدة. ^{[ 46 ]} الانشطار النووي هو العملية المعاكسة، حيث يؤدي إلى انقسام النواة إلى نواتين أصغر - عادةً من خلال التحلل الإشعاعي. يمكن أيضًا تعديل النواة من خلال قصفها بجسيمات دون ذرية عالية الطاقة أو فوتونات. إذا أدى ذلك إلى تغيير عدد البروتونات في النواة، فإن الذرة تتحول إلى عنصر كيميائي مختلف. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

إذا كانت كتلة النواة الناتجة عن تفاعل اندماجي أقل من مجموع كتل الجسيمات المنفصلة، ​​فإن الفرق بين هاتين القيمتين يمكن أن ينبعث كنوع من الطاقة القابلة للاستخدام (مثل أشعة غاما ، أو الطاقة الحركية لجسيم بيتا )، كما هو موضح في معادلة تكافؤ الكتلة والطاقة لألبرت أينشتاين ، E = mc² ^، حيث m هي الكتلة المفقودة و c هي سرعة الضوء . هذا النقص جزء من طاقة الربط للنواة الجديدة، وهو الفقد غير القابل للاسترداد للطاقة الذي يجعل الجسيمات المندمجة تبقى متماسكة في حالة تتطلب هذه الطاقة للانفصال. ^{[ 49 ]}

إن اندماج نواتين لتكوين نوى أكبر ذات أعداد ذرية أقل من الحديد والنيكل - أي ما مجموعه حوالي 60 نيوكليونًا - هو عادةً عملية طاردة للحرارة تُطلق طاقةً أكبر من الطاقة اللازمة لدمجهما. ^{[ 50 ]} هذه العملية المُطلقة للطاقة هي ما يجعل الاندماج النووي في النجوم تفاعلًا مستدامًا ذاتيًا. بالنسبة للنوى الأثقل، تبدأ طاقة الربط لكل نيوكليون بالتناقص. وهذا يعني أن عملية الاندماج التي تُنتج نواةً ذات عدد ذري ​​أكبر من 26 تقريبًا، وعدد كتلي أكبر من 60 تقريبًا، هي عملية ماصة للحرارة . وبالتالي، لا تستطيع النوى الأثقل الخضوع لتفاعل اندماج مُنتج للطاقة قادر على الحفاظ على التوازن الهيدروستاتيكي للنجم. ^{[ 45 ]}

تنجذب الإلكترونات في الذرة إلى البروتونات في النواة بفعل القوة الكهرومغناطيسية . تربط هذه القوة الإلكترونات داخل بئر جهد كهروستاتيكي يحيط بالنواة الأصغر، مما يعني أن الإلكترون يحتاج إلى مصدر طاقة خارجي ليتحرر. كلما اقترب الإلكترون من النواة، زادت قوة الجذب. لذا، فإن الإلكترونات المرتبطة بالقرب من مركز بئر الجهد تحتاج إلى طاقة أكبر للتحرر من تلك الموجودة على مسافات أبعد.

تتمتع الإلكترونات، كغيرها من الجسيمات، بخصائص الجسيم والموجة معًا . تُعرف سحابة الإلكترونات بأنها منطقة داخل بئر الجهد، حيث يُشكّل كل إلكترون نوعًا من الموجات المستقرة ثلاثية الأبعاد ، وهي موجة ثابتة لا تتحرك بالنسبة للنواة. يُحدد هذا السلوك بواسطة المدار الذري ، وهو دالة رياضية تُحدد احتمالية ظهور الإلكترون في موقع معين عند قياس موضعه. ^{[ 51 ]} توجد مجموعة منفصلة (أو مُكمّمة ) فقط من هذه المدارات حول النواة، حيث تتلاشى أنماط الموجات الأخرى بسرعة إلى شكل أكثر استقرارًا. ^{[ 52 ]} يمكن أن تحتوي المدارات على بنية حلقية أو عقدية واحدة أو أكثر، وتختلف فيما بينها في الحجم والشكل والاتجاه. ^{[ 53 ]}

يتوافق كل مدار ذري مع مستوى طاقة محدد للإلكترون. يستطيع الإلكترون تغيير حالته إلى مستوى طاقة أعلى بامتصاص فوتون ذي طاقة كافية لرفعه إلى الحالة الكمومية الجديدة. وبالمثل، من خلال الانبعاث التلقائي ، يمكن للإلكترون في حالة طاقة أعلى أن يهبط إلى حالة طاقة أدنى مع إشعاع الطاقة الزائدة على شكل فوتون. هذه القيم الطاقية المميزة، المحددة بفروق طاقات الحالات الكمومية، هي المسؤولة عن خطوط الطيف الذري . ^{[ 52 ]}

إن كمية الطاقة اللازمة لإزالة أو إضافة إلكترون - طاقة ربط الإلكترون - أقل بكثير من طاقة ربط النيوكليونات . على سبيل المثال، يتطلب الأمر 13.6  إلكترون فولت فقط لنزع إلكترون من الحالة الأرضية لذرة هيدروجين، ^{[ 54 ]} مقارنةً بـ 2.23 مليون إلكترون فولت لفصل نواة ديوتيريوم . ^{[ 55 ]} تكون الذرات متعادلة كهربائيًا إذا احتوت على عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات. تُسمى الذرات التي لديها نقص أو فائض في الإلكترونات بالأيونات . يمكن نقل الإلكترونات الأبعد عن النواة إلى ذرات أخرى مجاورة أو مشاركتها بين الذرات. بهذه الآلية، تستطيع الذرات الارتباط لتكوين جزيئات وأنواع أخرى من المركبات الكيميائية مثل البلورات الشبكية الأيونية والتساهمية . ^{[ 56 ]} 

بحسب التعريف، تنتمي أي ذرتين لهما نفس عدد البروتونات في نواتهما إلى نفس العنصر الكيميائي . أما الذرات التي لها نفس عدد البروتونات ولكن عدد مختلف من النيوترونات فهي نظائر مختلفة لنفس العنصر. على سبيل المثال، تحتوي جميع ذرات الهيدروجين على بروتون واحد فقط، ولكن توجد نظائر لا تحتوي على نيوترونات ( الهيدروجين-1 ، وهو الشكل الأكثر شيوعًا، ^{[ 57 ]} ويُسمى أيضًا البروتون)، ونظائر تحتوي على نيوترون واحد ( الديوتيريوم )، ونظائر تحتوي على نيوترونين ( التريتيوم )، ونظائر تحتوي على أكثر من نيوترونين . تُشكل العناصر المعروفة مجموعة من الأعداد الذرية، بدءًا من عنصر الهيدروجين ذي البروتون الواحد وصولًا إلى عنصر الأوغانيسون ذي 118 بروتونًا . ^{[ 58 ]} جميع النظائر المعروفة للعناصر ذات الأعداد الذرية الأكبر من 82 مشعة، على الرغم من أن النشاط الإشعاعي للعنصر 83 ( البزموت ) ضئيل للغاية لدرجة أنه يُمكن إهماله عمليًا. ^{[ 59 ] [ 60 ]}

يوجد حوالي 339 نويدة إشعاعية بشكل طبيعي على الأرض ، ^{[ 61 ]} منها 251 نويدة (حوالي 74%) لم يُرصد تحللها، وتُعرف باسم " النظائر المستقرة ". 90 نويدة فقط مستقرة نظريًا ، بينما لم يُرصد تحلل 161 نويدة أخرى (ليصبح المجموع 251)، على الرغم من أن ذلك ممكن نظريًا من الناحية الطاقية. وتُصنف هذه النظائر أيضًا رسميًا على أنها "مستقرة". يوجد 35 نويدة إشعاعية إضافية لها أعمار نصفية أطول من 100 مليون سنة، وهي طويلة بما يكفي لتكون موجودة منذ نشأة النظام الشمسي . تُعرف هذه المجموعة المكونة من 286 نويدة باسم النظائر البدائية . وأخيرًا، من المعروف أن 53 نظيرًا نوويًا قصير العمر إضافيًا توجد بشكل طبيعي، إما كنواتج ثانوية لتحلل النظائر البدائية (مثل الراديوم الناتج عن اليورانيوم )، أو كنواتج لعمليات طاقة طبيعية على الأرض، مثل قصف الأشعة الكونية (على سبيل المثال، الكربون-14). ^{[ 62 ] [ ملاحظة 1 ]}

يوجد لثمانين عنصرًا كيميائيًا نظير مستقر واحد على الأقل . وكقاعدة عامة، لا يتجاوز عدد النظائر المستقرة لكل عنصر من هذه العناصر أصابع اليد، بمتوسط ​​3.1 نظير مستقر لكل عنصر. ستة وعشرون عنصرًا أحادي النظير لها نظير مستقر واحد فقط، بينما يبلغ أكبر عدد من النظائر المستقرة لأي عنصر عشرة، وهو عنصر القصدير . أما العناصر 43 و 61 وجميع العناصر المرقمة 83 أو أعلى، فلا نظائر مستقرة لها. ^{[ 63 ] : 1-12}

تتأثر استقرارية النظائر بنسبة البروتونات إلى النيوترونات، وكذلك بوجود أعداد محددة من النيوترونات أو البروتونات تُعرف بـ"الأعداد السحرية"، والتي تُمثل أغلفة كمومية مغلقة وممتلئة. تُقابل هذه الأغلفة الكمومية مجموعة من مستويات الطاقة ضمن نموذج الغلاف النووي؛ فالأغلفة الممتلئة، مثل غلاف القصدير الممتلئ بـ 50 بروتونًا، تُضفي استقرارًا استثنائيًا على النظير. من بين 251 نظيرًا مستقرًا معروفًا، أربعة فقط تحتوي على عدد فردي من البروتونات وعدد فردي من النيوترونات: الهيدروجين-2 ( الديوتيريوم )، والليثيوم-6 ، والبورون-10 ، والنيتروجين-14 . ( يُعدّ التنتالوم-180م نظيرًا فرديًا-فرديًا ومستقرًا رصديًا، لكن يُتوقع أن يتحلل بنصف عمر طويل جدًا). ​​كذلك، فإن أربعة نظائر مشعة فردية-فردية موجودة طبيعيًا فقط لها نصف عمر يزيد عن مليار سنة: البوتاسيوم-40 ، والفاناديوم-50 ، واللانثانوم-138 ، واللوتيتيوم-176 . معظم النوى الفردية-الفردية غير مستقرة للغاية فيما يتعلق بتحلل بيتا ، لأن نواتج التحلل زوجية-زوجية، وبالتالي تكون أكثر ارتباطًا، بسبب تأثيرات الاقتران النووي . ^{[ 64 ]}

تُستمد غالبية كتلة الذرة من البروتونات والنيوترونات التي تُكوّنها. يُطلق على العدد الإجمالي لهذه الجسيمات (التي تُسمى "النيوكليونات") في ذرة معينة اسم العدد الكتلي . وهو عدد صحيح موجب بلا أبعاد (على عكس الكتلة)، لأنه يُعبّر عن عدد. مثال على استخدام العدد الكتلي هو "الكربون-12"، الذي يحتوي على 12 نيوكليونًا (ستة بروتونات وستة نيوترونات).

غالبًا ما تُعبّر الكتلة الفعلية للذرة في حالة السكون بوحدة دالتون (Da)، والتي تُسمى أيضًا وحدة الكتلة الذرية الموحدة (u). تُعرَّف هذه الوحدة بأنها جزء من اثني عشر جزءًا من كتلة ذرة الكربون-12 الحرة المتعادلة ، والتي تُقدَّر تقريبًا بـ1.66 × 10⁻²⁷ كجم  . ^{[ 65 ]} يبلغ الوزن الذري للهيدروجين-1 (أخف نظائر الهيدروجين، وهو أيضًا النواة ذات الكتلة الأقل) 1.007825 ^دالتون  . ^{[ 66 ]} تُسمى قيمة هذا الرقم بالكتلة الذرية . للذرة كتلة ذرية تساوي تقريبًا (في حدود 1%) عدد كتلتها مضروبًا في دالتون (على سبيل المثال، كتلة النيتروجين-14 تساوي تقريبًا 14  دالتون)، ولكن هذا الرقم لن يكون عددًا صحيحًا تمامًا إلا (بحسب التعريف) في حالة الكربون-12. ^{[ 67 ]} أثقل ذرة مستقرة هي الرصاص-208، ^{[ 59 ]} بكتلة 1.66 × 10⁻²⁷ كجم.207.976 6521  دا . ^{[ 68 ]}

بما أن حتى أضخم الذرات أخف بكثير من أن تُعامل مباشرةً، يستخدم الكيميائيون وحدة المول . يحتوي مول واحد من ذرات أي عنصر على نفس عدد الذرات تقريبًا (حوالي 100 ذرة).6.022 × 10²³ . تم اختيار هذا الرقم بحيث إذا كانت الكتلة الذرية لعنصر ما تساوي 1 وحدة كتل ذرية ^،  فإن كتلة مول واحد من ذرات ذلك العنصر تقارب غرامًا واحدًا. وبسبب تعريف وحدة دالتون ، فإن الكتلة الذرية لكل ذرة كربون-12 تساوي 12 دالتون بالضبط، وبالتالي فإن وزن مول واحد من ذرات الكربون-12 يساوي 0.012 كيلوغرام بالضبط. ^{[ 65 ]}

تفتقر الذرات إلى حدود خارجية محددة بدقة، لذا تُوصف أبعادها عادةً بنصف قطرها الذري . وهو مقياس للمسافة التي تمتد إليها سحابة الإلكترونات من النواة. ^{[ 69 ]} يفترض هذا أن الذرة كروية الشكل، وهو افتراض ينطبق فقط على الذرات الموجودة في الفراغ أو الفضاء الحر. يمكن اشتقاق أنصاف الأقطار الذرية من المسافات بين نواتين عندما ترتبط الذرتان برابطة كيميائية . يتغير نصف القطر بتغير موقع الذرة في الجدول الدوري، ونوع الرابطة الكيميائية، وعدد الذرات المجاورة ( عدد التناسق )، وخاصية ميكانيكية كمية تُعرف باللف المغزلي . ^{[ 70 ]} في الجدول الدوري للعناصر، يميل حجم الذرة إلى الزيادة عند الانتقال إلى أسفل الأعمدة، ولكنه ينقص عند الانتقال عبر الصفوف (من اليسار إلى اليمين). ^{[ 71 ]} وبالتالي، فإن أصغر ذرة هي الهيليوم بنصف قطر يبلغ 32 بيكومتر ، بينما تعد السيزيوم واحدة من أكبر الذرات بنصف قطر يبلغ 225 بيكومتر. ^{[ 72 ]}  

عند تعرض الذرة لقوى خارجية، كالمجالات الكهربائية ، قد ينحرف شكلها عن التناظر الكروي . ويعتمد هذا التشوه على شدة المجال ونوع مدار إلكترونات الغلاف الخارجي، كما يتضح من اعتبارات نظرية الزمر . وقد تظهر انحرافات غير كروية، على سبيل المثال، في البلورات ، حيث قد تتولد مجالات كهربائية بلورية كبيرة في مواقع الشبكة ذات التناظر المنخفض . ^{[ 73 ] [ 74 ]} وقد تبين حدوث تشوهات بيضاوية كبيرة لأيونات الكبريت ^{[ 75 ]} وأيونات الكالكوجين ^{[ 76 ]} في مركبات البيريت .

أبعاد الذرات أصغر بآلاف المرات من أطوال موجات الضوء (400-700 نانومتر )، لذا لا يمكن رؤيتها باستخدام المجهر الضوئي ، على الرغم من إمكانية رصد الذرات الفردية باستخدام مجهر المسح النفقي . ولتصور صغر حجم الذرة، يكفي أن نأخذ في الاعتبار أن شعرة الإنسان العادية يبلغ عرضها حوالي مليون ذرة كربون. ^{[ 77 ]} تحتوي قطرة الماء الواحدة على حوالي 2 سيكستليون (   2 × 10²¹ ذرة من الأكسجين، وضعف عدد ذرات الهيدروجين. ^{[ 78 ] ماسة} واحدة بوزن قيراط واحد وكتلتهايحتوي 2 × 10⁻⁴ كيلوغرام ^على  حوالي 10  سيكستليون ( ^10²² ) ذرة من الكربون . ^{[ ملاحظة 2 ]} إذا تم تكبير تفاحة إلى حجم الأرض، فإن حجم الذرات الموجودة في التفاحة سيكون تقريبًا بحجم التفاحة الأصلية. ^{[ 79 ]}

يحتوي كل عنصر على نظير واحد أو أكثر ذي نوى غير مستقرة تخضع للتحلل الإشعاعي، مما يؤدي إلى انبعاث جسيمات أو إشعاع كهرومغناطيسي من النواة. يحدث النشاط الإشعاعي عندما يكون نصف قطر النواة كبيرًا مقارنةً بنصف قطر القوة النووية القوية، التي لا تؤثر إلا على مسافات في حدود 1  فيمتومتر. ^{[ 80 ]}

أكثر أشكال التحلل الإشعاعي شيوعاً هي: ^{[ 81 ] [ 82 ]}

• تحلل ألفا : تحدث هذه العملية عندما تنبعث جسيمات ألفا من نواة ذرة الهيليوم، وهي نواة تتكون من بروتونين ونيوترونين. ينتج عن هذا الانبعاث عنصر جديد ذو عدد ذري ​​أقل .
• تحلل بيتا ( والتقاط الإلكترون ): تخضع هاتان العمليتان لتأثير القوة النووية الضعيفة ، وتنتجان عن تحول النيوترون إلى بروتون، أو العكس. يصاحب تحول النيوترون إلى بروتون انبعاث إلكترون ومضاد نيوترينو ، بينما يتسبب تحول البروتون إلى نيوترون (باستثناء التقاط الإلكترون) في انبعاث بوزيترون ونيوترينو . تُسمى انبعاثات الإلكترون أو البوزيترون بجسيمات بيتا. يؤدي تحلل بيتا إما إلى زيادة أو نقصان العدد الذري للنواة بمقدار واحد. يُعد التقاط الإلكترون أكثر شيوعًا من انبعاث البوزيترون، لأنه يتطلب طاقة أقل. في هذا النوع من التحلل، تمتص النواة إلكترونًا، بدلًا من انبعاث بوزيترون منها. مع ذلك، ينبعث نيوترينو في هذه العملية، ويتحول البروتون إلى نيوترون.
• اضمحلال غاما : ينتج هذا الاضمحلال عن تغير مستوى طاقة النواة إلى مستوى أدنى، مما يؤدي إلى انبعاث إشعاع كهرومغناطيسي. عادةً ما تحدث حالة الإثارة في النواة، التي ينتج عنها انبعاث أشعة غاما، بعد انبعاث جسيم ألفا أو بيتا. لذا، عادةً ما يتبع اضمحلال غاما اضمحلال ألفا أو بيتا.

تشمل أنواع التحلل الإشعاعي الأخرى الأقل شيوعًا انبعاث النيوترونات أو البروتونات أو تجمعات النيوكليونات من النواة، أو أكثر من جسيم بيتا واحد. ويُعدّ التحويل الداخلي نظيرًا لانبعاث أشعة غاما، ولكنه يسمح للنوى المثارة بفقدان الطاقة بطريقة مختلفة، وهي عملية تُنتج إلكترونات عالية السرعة ليست أشعة بيتا، يتبعها إنتاج فوتونات عالية الطاقة ليست أشعة غاما. وتنفجر بضع نوى كبيرة إلى شظيتين أو أكثر مشحونة ذات كتل متفاوتة بالإضافة إلى عدة نيوترونات، في تحلل يُسمى الانشطار النووي التلقائي .

لكل نظير مشع فترة اضمحلال مميزة تُعرف بنصف العمر ، وتُحدد هذه الفترة الزمنية اللازمة لاضمحلال نصف العينة. وهي عملية اضمحلال أُسّية تُقلل باستمرار نسبة النظير المتبقي بنسبة 50% مع كل نصف عمر. وبالتالي، بعد مرور نصفَي عمر، لا يتبقى سوى 25% من النظير، وهكذا. ^{[ 80 ]}

تمتلك الجسيمات الأولية خاصية ميكانيكية كمية جوهرية تُعرف باللف المغزلي . وهذا يُشابه الزخم الزاوي لجسم يدور حول مركز كتلته ، مع أن هذه الجسيمات، من الناحية النظرية، تُعتبر نقطية ولا يُمكن وصفها بأنها دوارة. يُقاس اللف المغزلي بوحدات ثابت بلانك المُختزل (ħ)، حيث يمتلك الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات لفًا مغزليًا مقداره ½ ħ ، أو "لف مغزلي - ½ " . في الذرة، تمتلك الإلكترونات المتحركة حول النواة زخمًا زاويًا مداريًا بالإضافة إلى لفها المغزلي، بينما تمتلك النواة نفسها زخمًا زاويًا ناتجًا عن لفها النووي. ^{[ 83 ]} 

يتحدد المجال المغناطيسي الناتج عن الذرة - أو عزمها المغناطيسي - بأشكال مختلفة من الزخم الزاوي، تمامًا كما يُنتج الجسم المشحون الدوار مجالًا مغناطيسيًا، إلا أن المساهمة الأكبر تأتي من دوران الإلكترون. ونظرًا لطبيعة الإلكترونات التي تخضع لمبدأ استبعاد باولي ، حيث لا يمكن أن يوجد إلكترونان في نفس الحالة الكمومية ، فإن الإلكترونات المرتبطة تتزاوج، ويكون أحد الإلكترونات في كل زوج في حالة دوران لأعلى والآخر في الحالة المعاكسة، أي دوران لأسفل. وبالتالي، تلغي هذه الدورانات بعضها بعضًا، مما يُقلل عزم ثنائي القطب المغناطيسي الكلي إلى الصفر في بعض الذرات التي تحتوي على عدد زوجي من الإلكترونات. ^{[ 84 ]}

في العناصر المغناطيسية الحديدية ، مثل الحديد والكوبالت والنيكل، يؤدي وجود عدد فردي من الإلكترونات إلى وجود إلكترون منفرد وعزم مغناطيسي كلي. تتداخل مدارات الذرات المتجاورة، ويتحقق مستوى طاقة أدنى عندما تصطف دورانات الإلكترونات المنفردة مع بعضها البعض، وهي عملية تلقائية تُعرف بتفاعل التبادل . عندما تصطف العزوم المغناطيسية للذرات المغناطيسية الحديدية، يمكن للمادة أن تُنتج مجالًا مغناطيسيًا كليًا قابلًا للقياس. أما المواد البارامغناطيسية، فلها ذرات ذات عزوم مغناطيسية تصطف في اتجاهات عشوائية في غياب المجال المغناطيسي، ولكن العزوم المغناطيسية للذرات الفردية تصطف في وجود مجال مغناطيسي. ^{[ 84 ] [ 85 ]}

لا تمتلك نواة الذرة دورانًا مغزليًا عندما تحتوي على أعداد زوجية من النيوترونات والبروتونات، أما في حالة الأعداد الفردية، فقد تمتلك النواة دورانًا مغزليًا. عادةً ما تصطف النوى ذات الدوران المغزلي في اتجاهات عشوائية بسبب التوازن الحراري ، ولكن بالنسبة لبعض العناصر (مثل الزينون-129 )، من الممكن استقطاب نسبة كبيرة من حالات الدوران المغزلي النووي بحيث تصطف في نفس الاتجاه - وهي حالة تُسمى الاستقطاب الفائق . ولهذا تطبيقات مهمة في التصوير بالرنين المغناطيسي . ^{[ 86 ] [ 87 ]}

تكون طاقة الوضع للإلكترون في الذرة سالبة نسبيًا عندما تقترب المسافة من النواة من اللانهاية ؛ إذ يصل اعتمادها على موقع الإلكترون إلى أدنى قيمة له داخل النواة، ويتناسب عكسيًا تقريبًا مع المسافة. في النموذج الكمي، لا يمكن للإلكترون المرتبط أن يشغل إلا مجموعة من الحالات المتمركزة حول النواة، وتتوافق كل حالة مع مستوى طاقة محدد ؛ انظر معادلة شرودنغر غير المعتمدة على الزمن للحصول على تفسير نظري. يُقاس مستوى الطاقة بكمية الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترون من الذرة، ويُعطى عادةً بوحدة الإلكترون فولت (eV). تُسمى أدنى حالة طاقة للإلكترون المرتبط بالحالة الأرضية، أي الحالة المستقرة ، بينما ينتج عن انتقال الإلكترون إلى مستوى أعلى حالة مثارة. ^{[ 88 ]} تزداد طاقة الإلكترون مع ازدياد n لأن المسافة (المتوسطة) إلى النواة تزداد. إن اعتماد الطاقة على ℓ لا ينتج عن الجهد الكهروستاتيكي للنواة، ولكن عن طريق التفاعل بين الإلكترونات.

لكي ينتقل الإلكترون بين حالتين مختلفتين ، مثلاً من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة الأولى ، يجب أن يمتص أو يُصدر فوتونًا بطاقة تُطابق فرق طاقة الوضع بين هاتين الحالتين، وفقًا لنموذج نيلز بور ، وهو ما يُمكن حسابه بدقة باستخدام معادلة شرودنغر . تنتقل الإلكترونات بين المدارات بطريقة تُشبه حركة الجسيمات. على سبيل المثال، إذا اصطدم فوتون واحد بالإلكترونات، فإن إلكترونًا واحدًا فقط يُغير حالته استجابةً للفوتون؛ انظر خصائص الإلكترون .

تتناسب طاقة الفوتون المنبعث طرديًا مع تردده ، لذا تظهر مستويات الطاقة المحددة هذه على شكل نطاقات مميزة في الطيف الكهرومغناطيسي . ^{[ 89 ]} لكل عنصر طيف مميز يعتمد على الشحنة النووية، والمستويات الفرعية المملوءة بالإلكترونات، والتفاعلات الكهرومغناطيسية بين الإلكترونات، وعوامل أخرى. ^{[ 90 ]}

عند تمرير طيف طاقة متصل عبر غاز أو بلازما، تمتص الذرات بعض الفوتونات، مما يؤدي إلى تغيير مستوى طاقة الإلكترونات. تُطلق الإلكترونات المثارة التي تبقى مرتبطة بذراتها هذه الطاقة تلقائيًا على شكل فوتونات، تنتقل في اتجاه عشوائي، ثم تعود إلى مستويات طاقة أدنى. وهكذا، تتصرف الذرات كمرشح يُشكّل سلسلة من نطاقات الامتصاص المظلمة في الطاقة المنبعثة. يرى المراقب الذي ينظر إلى الذرات من زاوية لا تشمل الطيف المتصل في الخلفية، سلسلة من خطوط الانبعاث الناتجة عن الفوتونات المنبعثة من الذرات. تسمح القياسات الطيفية لقوة وعرض خطوط الطيف الذري بتحديد تركيب المادة وخصائصها الفيزيائية. ^{[ 91 ]}

يكشف الفحص الدقيق لخطوط الطيف عن وجود انقسام في البنية الدقيقة لبعضها . يحدث هذا نتيجةً لتفاعل الدوران المداري ، وهو تفاعل بين دوران وحركة الإلكترون الخارجي. ^{[ 92 ]} عندما تكون الذرة في مجال مغناطيسي خارجي، تنقسم خطوط الطيف إلى ثلاثة مكونات أو أكثر؛ وهي ظاهرة تُعرف بتأثير زيمان . وينتج هذا عن تفاعل المجال المغناطيسي مع العزم المغناطيسي للذرة وإلكتروناتها. قد تمتلك بعض الذرات تكوينات إلكترونية متعددة لها نفس مستوى الطاقة، فتظهر بالتالي كخط طيفي واحد. يؤدي تفاعل المجال المغناطيسي مع الذرة إلى إزاحة هذه التكوينات الإلكترونية إلى مستويات طاقة مختلفة قليلاً، مما ينتج عنه خطوط طيفية متعددة. ^{[ 93 ]} يمكن أن يتسبب وجود مجال كهربائي خارجي في انقسام وإزاحة مماثلة لخطوط الطيف عن طريق تعديل مستويات طاقة الإلكترون، وهي ظاهرة تُعرف بتأثير ستارك . ^{[ 94 ]}

إذا كان الإلكترون المرتبط في حالة إثارة، فإن فوتونًا متفاعلًا ذو طاقة مناسبة يمكن أن يُحفز انبعاث فوتون آخر ذي مستوى طاقة مطابق. ولكي يحدث هذا، يجب أن يهبط الإلكترون إلى مستوى طاقة أدنى بفارق طاقة يُطابق طاقة الفوتون المتفاعل. ثم يتحرك الفوتون المنبعث والفوتون المتفاعل بشكل متوازٍ وبطور متطابق، أي أن أنماط موجات الفوتونين متزامنة. تُستخدم هذه الخاصية الفيزيائية في صناعة الليزر ، الذي يُمكنه إصدار حزمة متماسكة من طاقة الضوء في نطاق ترددي ضيق. ^{[ 95 ]}

التكافؤ هو قدرة العنصر على الارتباط. ويُحدد بعدد الروابط التي يُمكنه تكوينها مع ذرات أو مجموعات أخرى. ^{[ 96 ]} يُعرف الغلاف الإلكتروني الخارجي للذرة في حالتها غير المرتبطة بغلاف التكافؤ ، وتُسمى الإلكترونات الموجودة في هذا الغلاف بإلكترونات التكافؤ . ويُحدد عدد إلكترونات التكافؤ سلوك الترابط مع الذرات الأخرى. تميل الذرات إلى التفاعل كيميائيًا مع بعضها البعض بطريقة تملأ (أو تُفرغ) أغلفة تكافؤها الخارجية. ^{[ 97 ]} على سبيل المثال، يُعد انتقال إلكترون واحد بين الذرات تقريبًا مفيدًا للروابط التي تتكون بين الذرات التي تحتوي على إلكترون واحد أكثر من غلافها الممتلئ، وتلك التي ينقصها إلكترون واحد عن الغلاف الممتلئ، كما هو الحال في مركب كلوريد الصوديوم والأملاح الأيونية الكيميائية الأخرى. تُظهر العديد من العناصر تكافؤات متعددة، أو ميلًا لمشاركة أعداد مختلفة من الإلكترونات في مركبات مختلفة. وبالتالي، تتخذ الروابط الكيميائية بين هذه العناصر أشكالاً عديدة من مشاركة الإلكترونات تتجاوز مجرد نقل الإلكترونات البسيط. ومن الأمثلة على ذلك عنصر الكربون والمركبات العضوية . ^{[ 98 ]}

تُعرض العناصر الكيميائية عادةً في جدول دوري مُصمم لعرض الخصائص الكيميائية المتكررة، وتُشكل العناصر التي لها نفس عدد إلكترونات التكافؤ مجموعةً تقع في نفس العمود من الجدول. (تتوافق الصفوف الأفقية مع امتلاء غلاف كمي من الإلكترونات). العناصر الموجودة في أقصى يمين الجدول يكون غلافها الخارجي ممتلئًا تمامًا بالإلكترونات، مما ينتج عنه عناصر خاملة كيميائيًا تُعرف بالغازات النبيلة . ^{[ 99 ] [ 100 ]}

توجد كميات من الذرات في حالات المادة المختلفة تبعًا للظروف الفيزيائية، كدرجة الحرارة والضغط . بتغيير هذه الظروف، يمكن للمواد أن تتحول بين المواد الصلبة والسائلة والغازية والبلازما . ^{[ 101 ]} ضمن الحالة الواحدة، يمكن للمادة أن توجد أيضًا في أشكال تآصلية مختلفة . مثال على ذلك الكربون الصلب، الذي يمكن أن يوجد على شكل جرافيت أو ماس . [ ^{102 ] توجد} أيضًا أشكال تآصلية غازية ، مثل الأكسجين والأوزون .

عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ، يمكن للذرات أن تُشكّل مكثف بوز-أينشتاين ، وعندها تظهر التأثيرات الكمومية، التي تُلاحَظ عادةً على المستوى الذري فقط، على المستوى العياني. ^{[ 103 ] [ 104 ]} وتتصرف هذه المجموعة فائقة التبريد من الذرات كذرة فائقة واحدة ، مما قد يسمح بإجراء فحوصات أساسية للسلوك الكمومي. ^{[ 105 ]}

يُعتقد أن الإلكترونات موجودة في الكون منذ المراحل المبكرة للانفجار العظيم . تتشكل نوى الذرات في تفاعلات التخليق النووي . في ^{غضون ثلاث دقائق} تقريبًا ، أنتج التخليق النووي للانفجار العظيم معظم الهيليوم والليثيوم والديوتيريوم في الكون، وربما بعض البريليوم والبورون . ^{[ 117 ] [ 118 ] [} 119 ]

يعتمد انتشار الذرات واستقرارها على طاقة ارتباطها ، ما يعني أن طاقة الذرة أقل من طاقة نظام غير مرتبط من النواة والإلكترونات. عندما تكون درجة الحرارة أعلى بكثير من جهد التأين ، توجد المادة على شكل بلازما - غاز من الأيونات الموجبة الشحنة (ربما أنوية عارية) والإلكترونات. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون جهد التأين، تصبح الذرات أكثر استقرارًا إحصائيًا . أصبحت الذرات (بإلكتروناتها المرتبطة) هي السائدة على الجسيمات المشحونة بعد 380,000  عام من الانفجار العظيم - وهي حقبة تُسمى إعادة التركيب ، عندما برد الكون المتوسع بدرجة كافية للسماح للإلكترونات بالارتباط بالأنوية. ^{[ 120 ]}

منذ الانفجار العظيم، الذي لم ينتج عنه الكربون أو العناصر الأثقل ، تم دمج النوى الذرية في النجوم من خلال عملية الاندماج النووي لإنتاج المزيد من عنصر الهيليوم ، و(عبر عملية ألفا الثلاثية ) تسلسل العناصر من الكربون حتى الحديد ؛ ^{[ 121 ]} انظر التخليق النووي النجمي لمزيد من التفاصيل.

تتولد نظائر مثل الليثيوم-6، بالإضافة إلى بعض البريليوم والبورون، في الفضاء من خلال التفتت الناتج عن الأشعة الكونية . ^{[ 122 ]} يحدث هذا عندما يصطدم بروتون عالي الطاقة بنواة ذرية، مما يؤدي إلى قذف أعداد كبيرة من النيوكليونات.

تُنتَج العناصر الأثقل من الحديد في المستعرات العظمى والنجوم النيوترونية المتصادمة عبر عملية الالتقاط السريع للنيوترونات (r-process) ، وفي نجوم فرع العملاق المقارب (AGB) عبر عملية الالتقاط البطيء للنيوترونات (s-process )، وكلاهما يتضمن التقاط النيوترونات بواسطة نوى الذرات. ^{[ 123 ]} أما عناصر مثل الرصاص فتتشكل في الغالب من خلال التحلل الإشعاعي للعناصر الأثقل. ^{[ 124 ]}

معظم الذرات التي تُكوّن الأرض وسكانها كانت موجودة بشكلها الحالي في السديم الذي انهار من سحابة جزيئية ليُشكّل النظام الشمسي . أما الباقي فهو نتاج التحلل الإشعاعي، ويمكن استخدام نسبها لتحديد عمر الأرض من خلال التأريخ الإشعاعي . ^{[ 125 ] [ 126 ]} معظم الهيليوم الموجود في قشرة الأرض (حوالي 99% من الهيليوم المستخرج من آبار الغاز، كما يتضح من انخفاض وفرة الهيليوم-3 فيه ) هو نتاج تحلل ألفا . ^{[ 127 ]}

توجد على الأرض بعض الذرات الضئيلة التي لم تكن موجودة في البداية (أي ليست "بدائية")، وليست ناتجة عن التحلل الإشعاعي. يُنتج الكربون-14 باستمرار بواسطة الأشعة الكونية في الغلاف الجوي. ^{[ 128 ]} وقد تم توليد بعض الذرات على الأرض صناعيًا إما عمدًا أو كمنتجات ثانوية للمفاعلات النووية أو الانفجارات. ^{[ 129 ] [ 130 ]} من بين العناصر العابرة لليورانيوم - تلك التي يزيد عددها الذري عن 92 - يوجد البلوتونيوم والنبتونيوم فقط بشكل طبيعي على الأرض. ^{[ 131 ] [ 132 ]} تتميز العناصر العابرة لليورانيوم بعمر إشعاعي أقصر من عمر الأرض الحالي ^{[ 133 ]} ، وبالتالي فإن الكميات القابلة للتحديد من هذه العناصر قد تحللت منذ زمن بعيد، باستثناء آثار البلوتونيوم-244 التي ربما تكون قد ترسبت بواسطة الغبار الكوني. ^{[ 125 ]} يتم إنتاج رواسب البلوتونيوم والنبتونيوم الطبيعية عن طريق التقاط النيوترونات في خام اليورانيوم. ^{[ 134 ]}

تحتوي الأرض على ما يقارب1.33 × 10⁵⁰ ذرة. ^{[ 135 ]} على الرغم من وجود أعداد قليلة من الذرات المستقلة للغازات النبيلة ، مثل الأرجون والنيون والهيليوم ، ^فإن 99% من الغلاف الجوي مرتبط على شكل جزيئات، بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون والأكسجين والنيتروجين ثنائيي الذرة . على سطح الأرض، تتحد الغالبية العظمى من الذرات لتكوين مركبات متنوعة، بما في ذلك الماء والملح والسيليكات والأكاسيد . يمكن للذرات أيضًا أن تتحد لتكوين مواد لا تتكون من جزيئات منفصلة، ​​بما في ذلك البلورات والمعادن السائلة أو الصلبة . ^{[ 136 ] [ 137 ]} تشكل هذه المادة الذرية ترتيبات شبكية تفتقر إلى ذلك النوع الخاص من النظام المتقطع صغير النطاق المرتبط بالمادة الجزيئية. ^{[ 138 ]}