Redigerer Atom (avsnitt)

==Atomets egenskaper innenfor gjeldende teori==
===Subatomære partikler===
[[Fil:Partikler i standardmodellen.png|right|450px|thumb|Oversikt over partikler og familier i standardmodellen]]
Inntil 1961 ble atomet antatt å bestå bare av elektroner, nøytroner og protoner. [[Standardmodellen]] som ble utviklet tidlig på 1970-tallet, beskriver de partikler og krefter som bygger opp subatomære partikler. [[Kvark]]er kommer i 3 par (6 varianter) med ladning henholdsvis +2/3 og −1/3 og [[spinn]] ½. De forekommer ikke fritt, men er alltid bundet sammen i [[baryon]]er med 3 kvarker som får ½ heltalls spinn og [[meson]]er med 2 kvarker og heltalls spinn. Elektronet sammen med partikler som positroner og nøytrinoer er [[lepton]]er og påvirkes ikke av den sterke kjernekraften. Familiene leptoner og bosoner er begge [[fermion]]er som er partikler med ½ heltalls spinn.

Protonene og nøytronene er baryoner og bygges opp av u (opp) og d (ned) kvarker som har såkalt fargeladning i tillegg til at de har elektrisk ladning. Protonet får med kombinasjonen (uud) en positiv elektrisk elementærladning mens nøytronet med (udd) blir elektrisk nøytralt. Kvarkene holdes sammen av den såkalte [[fargekraft]]en formidlet av [[gluon]]er som er vekselvirkningsbosoner. Størstedelen av energien i nøytronet og protonet kommer ikke fra opp ned kvarkene (med 4 og 8 MeV) men ligger i bindingsenergien som gir dem masser på respektive 938,3 og 939,6 MeV. Protonene og nøytronene er fargenøytrale. Men fargeladningen er ujevnt fordelt i dem slik den elektriske ladningen er ujevnt fordelt i molekyler. På tilsvarende måte som det gir opphav til bindingskrefter mellom molekyler, gir den ujevne fordelingen av fargeladning i protonene og nøytronene opphav til [[sterk kjernekraft]] eller nukleon-til-nukleon-kraften som holder atomkjernene sammen, til tross for den elektriske frastøtningen mellom protonene.

Fotoner er masseløse elektromagnetiske bølger (partikler) med heltalls spinn som formidler den elektromagnetiske kraften. Denne virker mellom elektronet og kjernen og sammen med elektronets bølgenatur dannes [[orbital]]ene.
{{Clear|left}}
====Elektroner og elektronskall====
Atomkjernene er omgitt av elektrontåker, og det er primært disse tåkene som bestemmer hvordan atomene virker på hverandre og hvilke kjemiske bindinger som oppstår. Disse tåkene representerer sannsynlighetsfordelinger for elektronene og deles opp i [[orbital]]er som tilsvarer faste energinivåer for elektronene. Disse orbitalene kalles også elektronskall. Hvert orbital har bare plass til et bestemt antall elektroner fordi alle elektronene i samme atom må befinne seg i forskjellig kvantemekanisk tilstand (for elektronet er dette kombinasjonen av hoved-, bi- magnetisk- og spinn-kvantetall etter bestemte regler). Orbitalene øker i størrelse og kompleksitet med økende energinivå inntil elektronet er ionisert og dermed frigjort fra kjernen.
[[Fil:Neon orbitals.png|miniatyr|442x442pk|De fem første orbitalene for <sup>10</sup>Ne er 1s<sup>2</sup>, 2s<sup>2</sup> og tre separerte orienteringer av 2p<sup>6</sup>. Hvert orbital inneholder to elektroner som med høy sannsynlighet befinner seg i det skisserte volumet.]]
Elektronene kan i prinsippet befinne seg i et hvilket som helst orbital, men vil i grunntilstanden fylle opp orbitalene fra laveste (innerste) nivå. Et [[eksitert]] elektron befinner seg i et høyere orbital enn grunntilstanden, og vil raskt falle tilbake til en ledig plass i et lavere orbital og avgi energien i form av et foton.

Elektronene i ytterste "befolkede" skall i grunntilstanden kalles ''valenselektroner'' og bestemmer i vesentlig grad hvordan elektronet forbinder seg kjemisk med andre atomer. Generelt vil atomene som bindes sammen, dele på et eller flere elektroner i ytterste skall. Atomene søker å fylle opp dette skallet. I vann (H<sub>2</sub>O) er hydrogenets ytterste skall 1s<sup>1</sup> og kan derfor avgi eller ta opp et elektron. Oksygen har ytterste skall 2p<sup>4</sup> som kan avgi 4 eller ta opp 2 elektroner. Oksygenet kan derfor dele på et elektron fra hvert hydrogenatom for å fylle sitt ytterste skall, og hydrogenet dele et elektron med oksygenet for å fylle sitt. I hydrogengass (H<sub>2</sub>) vil begge hydrogenatomene fylle 1s skallet ved å dele på de to elektronene. Edelgassene har alle fullt ytterste skall og reagerer derfor vanskelig med andre stoffer.

Atomene plasseres i Grupper og Perioder i det [[periodesystemet|periodiske system]], der perioden tilsvarer antall [[orbital]]er eller elektronskall, og antall ledige plasser i ytterste skall faller fra venstre mot høyre i gruppen. På denne måten viser man grunnstoffer med beslektede egenskaper nær hverandre.

Elektronene i skallene innenfor kalles ''kjerneelektronene'' og hovedeffekten av disse kommer i form av skjerming av kjernens positive ladning. Dette avgjør deler av atomets [[elektronegativitet]] og bestemmer evnen til å tiltrekke felles elektroner i en binding mellom flere atomer. Elektronegativteten øker med antall elektroner i ytterste skall, og minker med antall kjerneelektroner.

Dersom forskjellen i elektronegativitet er mindre enn 0.4 trekker atomene omtrent like mye på elektronene og disse vil fordele seg jevnt mellom atomene. Dette kalles en [[kovalent binding]] og opptrer for eksempel i vanlige gasser som O<sub>2</sub>, H<sub>2</sub> og N<sub>2</sub>

Ved forskjell større enn 1,4 får man en [[ionebinding]]. Atomet med høyest elektronegativitet vil tiltrekke seg de fleste elektronene og bli mer negativt ladet. Samtidig trekkes elektroner fra de (det) andre atomene, noe som reduserer skjermingen av kjernen og gir positiv ladning. Slike molekyler er [[dipol]]er og organiserer seg i retningsorienterte strukturer med positive ender mot negative ender. Et eksempel er vanlig salt (NaCl) som vist i krystallgitteret tidligere.

Ved forskjell mellom 0,4 og 1,7 oppstår en [[polar kovalent binding]]. Spesielt dersom noen av atomene er hydrogenatomer er denne viktig ettersom protonkjernen lett blir avskjermet og derfor danner [[hydrogenbinding]]er til elektronegative atomer i andre eller samme molekyl, noe som gir opphav til spesielle egenskaper. Dette er for eksempel tilfelle i [[vann]] (H<sub>2</sub>O) og mer komplekse [[organisk kjemi|organiske]] molekyler som [[protein]]er, [[DNA]] og [[polysakkarid]]er. Proteiner har forskjellige egenskaper etter hvordan de er «kveilet opp» og denne strukturen stabiliseres av hydrogenbindingene.

====Egenskaper for nukleoner og atomkjernen ====
[[Fargekraft]]en binder kvarker sammen og bygger opp [[nukleon]]er som [[proton]]er og [[nøytron]]er som danner atomkjerner. Atomkjernen har en størrelse på ''r<sub>n</sub> = r<sub>0</sub>&thinsp;A<sup>1/3</sup>'' der ''r<sub>0</sub>'' = 1,2&times;10<sup>−15</sup>m.

Fargekraften mellom kvarkene i protonene og nøytronene har en residuell kraft ([[sterk kjernekraft]]) som binder de enkelte nukleoner i atomkjernen sammen. Den faller meget raskt av på avstander over 1,4•10<sup>−15</sup>m og binder i det vesentlige nukleonet til dets nærmeste naboer. Den elektromagnetiske kraften har lang rekkevidde og får vesentlige bidrag fra alle protoner i kjernen. Ved høyere atomnummer kreves derfor relativt flere nøytroner (noe som styrker den sterke kjernekraften i atomkjernen) for å holde kjernen sammen og skape balanse mellom disse kreftene.

Forskjellige isotoper kan derfor være ustabile og endre antall nukleoner ved [[kjernereaksjon]]er som [[radioaktivitet|radioaktiv]] nedbrytning eller spaltning ([[kjernefysisk fisjon]]). Når dette skjer spontant kalles det [[radioaktivitet]] og har en karakteristisk [[halveringstid]] som beskriver gjennomsnittlig tid før halvparten av atomene i et utvalg er spaltet. Dette kan skje på forskjellige måter:
*Ved [[alfapartikkel|alfastråling]] sendes det ut en heliumkjerne (Z=2). Et eksempel er spaltning av Uran (Z=92) til Thorium (Z=90) og en alfapartikkel (<sup>4</sup>He).
*Ved [[betastråling]] som innebærer at et nøytron går over til et proton ved [[svak kjernekraft|svak vekselvirkning]] og sender ut et elektron.
*Som for elektronene kan også nukleonene eksiteres til høyrere energi, og sende ut et foton når de går tilbake i grunntilstanden. Men disse energinivåene har flere tusen ganger større energi enn de atomære energinivåene, og fotonet får tilsvarende høy energi. Fotoner med slike energier kalles [[gammastråling]]

Kjernefysiske reakjoner kan også fremkalles ved hjelp av partikler med høy energi (nukleoner, elektroner eller fotoner). De foregår også ved at to kjerner smelter sammen ved [[kjernefysisk fusjon]] og når et proton tilføres energi og går over til et nøytron ved [[svak kjernekraft|svak vekselvirkning]].

===Atomers størrelse og hastighet===
[[Fil:Empirical atomic radius trends.svg|300px|Atomets radius i forhold til atomnummer Z=3-36.]]
Atomenes størrelse er omkring 1/1000 av [[bølgelengde]]n for synlig [[lys]]. Derfor kan ikke atomer observeres direkte i optiske instrumenter. Men atomenes struktur på overflaten av en tynn film kan registreres for eksempel med ''skannende tunnelerende [[mikroskop]]'' (STM), ved ''nukleær [[Magnetresonanstomografi|magnetisk resonans]]'' (NMR) og i ''[[røntgenstråling|røntgenstråle]]<nowiki>mikroskop</nowiki>''.

Fordi elektronskyen som omgir kjernen ikke har noen skarp avgrensning, er størrelsen på atomet et definisjonsspørsmål. Tall fra ulike kilder er ikke nødvendigvis sammenlignbare uten nærmere definisjon. Vanlige størrelser som oppgis er (generelt i stigende rekkefølge):
*''[[atomradius|Atomets radius]]'' er lik statiskisk radius for ytterste stabile orbital i grunntilstanden. Beregnet atomradius er ofte mindre eller større enn empirisk atomradius (For H 50&nbsp;% større enn empirisk).
*''[[Kovalent radius]]'' er halve avstanden mellom to identiske atomer (som da har kovalent binding eks. H<sub>2</sub>)
*''Wan der Waals radius'' oppgir radius for et imaginært skall som bestemmes ved [[røntgendiffraksjon]] på ubundne atomer i et krystallgitter.

Basert på det som er beskrevet over har karbon(<sup>12</sup>C) en kjernestørrelse på ~2,8•10<sup>−15</sup>m mens kovalent radius er 7,0•10<sup>−11</sup>m eller en faktor 25 000 ganger større. Dette tilsvarer omtrent en ert (8&nbsp;mm) i midten av et fotballstadion (200 m).

Elektronets klassiske radius er også ~2,8•10<sup>−15</sup>m, der elektronets størrelse er basert på elektromagnetisk energitetthet. I dag betraktes imidlertid elektronet kvantemekanisk som en punktladning uten definert utstrekning.

Atomkjernen har omtrent hele atomets masse, for <sup>12</sup>C er massen ~2,0•10<sup>−26</sup>kg konsentrert innen et volum på ~9,2•10<sup>−44</sup>m³. Spesifikk vekt for kjernen er derfor ~2,2•10<sup>17</sup>kg/m³. [[Nøytronstjerne]]r kan oppnå en slik pakketetthet når kjernen kollapser etter visse typer [[supernova]]er.

[[Atommasse]]n oppgis ofte i [[atommasseenhet]]en u og [[stoffmengde]] i [[mol (enhet)|mol]]. Disse enhetene baseres på <sup>12</sup>C som standard; 1 u er 1/12 av massen for <sup>12</sup>C, og 1 [[mol (enhet)|mol]] er antall karbonatomer i 12 gram <sup>12</sup>C, som er [[Avogadros tall]] 6,0221415•10<sup>23</sup>. Generelt er 1&nbsp;mol av et stoff X gram når atomvekten i atommasseenheter er X.

Atomets radius står i liten grad i forhold til atommassen. Atomer med høyere atomnummer har høyere ladning i kjernen, og vil pakke elektronskyen tettere, noe som medfører at orbitalenes radius reduseres.
Størrelsen har et gjennomsnitt på ~140 picometer (pm) for alle atomer, og med unntak av periode 1 og 2 ligger de aller fleste grunnstoffer i området 110-215 pm. Aluminium med atomvekt 27u har kovalent radius 118 pm. Iridium har omtrent samme radius (137 pm) men atommasse 192u, og dette forklarer i stor grad forskjellen i tetthet mellom aluminium (2700&nbsp;kg/m³) og Iridum som har den høyeste tetthet av grunnstoffene med 22650&nbsp;kg/m³.

[[Temperatur]]en i en samling atomer er et mål på midlere [[kinetisk energi]] (bevegelsesengergi) for atomene, utover den kvantemekaniske bevegelse som følger av [[heisenbergs uskarphetsrelasjon|usikkerhetsprinsippet]]. Midlere hastighet øker fra null ved 0 K til omkring 500&nbsp;m/s ved romtemperatur. Bevegelsene er imidlertid uregelmessige [[Brownsk bevegelse|Brownske bevegelser]] og fører ikke til netto forflytning av atomene.

===Grunnstoffer, isotoper og ioner===
Atomer med samme atomnummer ''Z'' har en lang rekke fysiske egenskaper til felles, og oppviser tilnærmet like kjemiske egenskaper. Derfor klassifiserer man alle atomer med samme antall protoner i kjernen og dermed samme atomnummer som samme grunnstoff. For eksempel vil alle atomer med seks protoner i kjernen (''Z''&nbsp;=&nbsp;6) klassifiseres som [[karbon]].

Massetallet ''A'' gir antallet nukleoner i atomkjernen, dvs. summen av protoner og nøytroner. Den er sammenlignbar med [[atommasse]]n i [[atommasseenhet]]er. Et spesifikt sett nukleoner med Z protoner og A-Z nøytroner kalles en [[nuklide]].

Et grunnstoff kan ha flere forskjellige nuklider, alle med samme atomnummer Z (antall protoner og elektroner), men forskjellig antall nøytroner. Dette settet av nuklider kalles [[isotop]]er av grunnstoffet. Isotop betyr «samme sted», fordi de har samme kjemiske symbol og plass i det [[periodesystemet|periodiske system]]. <sup>14</sup>C eller Karbon-14 er en slik isotop av karbon og har 6 protoner og 8 nøytroner i kjernen, som gir massetall 14. [[Isotoptabell]]en viser alle kjente isotoper av grunnstoffene. Atommassen som oppgis er et snitt av isotopmassen for alle isotoper veiet etter deres relative vanlighet i naturen.

Det enkleste atomet er [[protium]], den vanligste isotopen av løse hydrogener, med bare ett proton og ett elektron. Hydrogen med ett proton og ett nøytron kalles deuterium, mens tritium har ett proton og to nøytroner. Tritium er [[radioaktivitet|radioaktivt]] og har en [[halveringstid]] på 12.23 år og går da over til helium isotopen <sup>3</sup>He samt et elektron og et elektron anti[[nøytrino]] som alle er stabile. Mange isotoper er radioaktive, og antall stabile isotoper varierer sterkt fra grunnstoff til grunnstoff. Tinn (Sn, Z=50) har 10 stabile isotoper, mens Bly (Pb, Z=82) er det høyeste atomnummeret som har stabile isotoper. Høyere atomnummer Z≥83 har ingen stabile isotoper og er alle radioaktive.

De fleste atomer som er lettere enn uran (U, Z=92) har ett eller flere isotoper med lang nok levetid til å finnes på jorden. Noen unntak er technetium (Tc, Z=43) og Promethium (Pm, Z=61) som kun kan identifiseres i stjerner der de nylig er blitt syntetisert. Dette gjelder også [[transuran]]er, dvs. tyngre atomer enn uran med kort levetid.

Flere tyngre atomer som ikke forekommer naturlig har blitt framstilt ved bombardering av andre kjerner med høy energi. Nye grunnstoffer har blitt skapt på denne måten opp til atomnummer 116, med foreløpig navn ''ununhexium''. (Nedbrytningsprodukter av ununoctium, Z=118 har også blitt observert) 
<ref>{{ Kilde artikkel | forfatter= Viktor Ninov, K. E. Gregorich, W. Loveland, A. Ghiorso, D. C. Hoffman, D. M. Lee, H. Nitsche, W. J. Swiatecki, U. W. Kirbach, C. A. Laue, J. L. Adams, J. B. Patin, D. A. Shaughnessy, D. A. Strellis, and P. A. Wilk | utgivelsesår= 1999 | tittel= Observation of Superheavy Nuclei Produced in the Reaction of <sup>86</sup>Kr with <sup>208</sup>Pb | publikasjon= [[Physical Review Letters]] | bind= 83 | nummer= 6-9 | side= 1104-1107 | url= http://prola.aps.org/abstract/PRL/v83/i6/p1104_1?qid=a064607e43de02b9&qseq=1&show=25 | doi= 10.1103/PhysRevLett.83.1104 | issn = 0031-9007 }}</ref> Slike tunge grunnstoffer er svært ustabile og nedbrytes raskt.

Etter [[Big Bang]] besto vanlig masse i universet av 76&nbsp;% hydrogen og 24&nbsp;% helium, og mindre enn 1&nbsp;% av noen få andre lette atomer. Alle andre grunnstoffer er dannet senere ved [[nukleosyntese]] i [[stjerne]]r og [[supernova]]er. Solen er en 3 generasjons stjerne, og solsystemet inneholder stoffer etter to tidligere generasjoner stjerner og har derfor en viss mengde tyngre grunnstoffer.

Atomene kan avgi eller oppta elektroner. Når antall elektroner er forskjellig fra antallet protoner i kjernen er atomet ikke elektrisk nøytralt. Atomer med underskudd på elektroner er positivt ladd og kalles [[kation]]er fordi de vil trekkes mot [[katode]]n (negativ [[elektrode]]). Når det er overskudd på elektroner er ladningen negativ, og ionet er et [[anion]], navnet kommer fordi de trekkes mot den positive [[anode]]n.

===Atomspekter===
[[Fil:K4iii-spectre.png|thumb|300px|Absorpsjonsspekter med linjer for en K4iii type [[stjerne]]]]

Hvert grunnstoff har et spesifikt sett [[orbital]]er for sin elektronkonfigurasjon. Disse orbitalene har energinivåer og sprang mellom disse energinivåene som er unike for samme grunnstoff og forskjellig for ulike atomnummere. Når et elektron eksiteres, dvs. tilføres energi fra et foton og går til et ledig høyere orbital vil dette kreve en fast energimengde som er lik energispranget mellom disse orbitalene. Atomer i et høyere orbital vil raskt gå til et lavere orbital dersom dette har en ledig plass, og vil da tilsvarende avgi et foton med en energi lik energispranget mellom orbitalene. Fotonets energi tilsvarer en spesifikk frekvens og bølgelende (=farge i det synlige området).

Hvert grunnstoff får på denne måten et unikt sett av bølgelengder som kan absorberes eller emitteres. Ved [[spektroskopi]] brukes dette ved at en prøvetagning bestråles fra en intensiv lyskilde. Elektronene vil da eksiteres, og når disse eller andre elektroner inntar den lavere ledige posisjonen avgis fotoner. Det resulterende ''emisjonsspekteret'' brukes til å analysere hvilke grunnstoffer som er tilstede og deres relative mengder.

Tilsvarende vil atomer som gjennomlyses med et kontinuerlig spektrum, vise et ''absorpsjonsspekter'' med mørke linjer tilsvarende kvantesprangene. Lys fra stjerner (og solen) som passerer gjennom stjernens [[fotosfære]], [[interstellare gasståker]] eller planeters [[atmosfære]] vil kunne vise deres kjemiske sammensetning på denne måten. Stjernene selv er optisk [[opasitet|opake]] til fotosfæren (den lysende solskiven) og lyset emitteres, absorberes og reemitteres derfor i mange omganger. Selve stjernens spektrum er derfor kontinuerlig. Linjene vil ofte være forskjøvet i spekteret på grunn av høy relativ hastighet eller universets ekspansjon og kan derfor gi ytterligere informasjon om dette.

Energinivåene finner man i hele det elektromagnetiske spektrum fra lav energi [[radiobølger]] til høyenergi [[røntgenstråling]]. Lave energinivåer oppstår ved små energisprang i høyere orbitaler eller i spinn som den viktige [[Hydrogenlinjen]] ved 0,21 m (1420,40575 [[Hertz|MHz]]). Høyenergifotoner oppstår i tunge atomer når posisjoner i lave orbitaler frigjøres ved at elektronene eksiteres for eksempel av betastråling og elektroner fra høye orbitaler tar deres plass.