Los átomos son una colección estable de partículas subatómicas (protones, nuetrones y electrones) que forman todos los elementos químicos que constituyen la materia física tal como la percibimos y experimentamos.
Los átomos consisten en un núcleo de protones y nuetrones (con una excepción) que lleva su carga eléctrica positiva y constituye la mayor parte de su masa. Las propiedades químicas de un átomo están determinadas por el número de protones en el núcleo, que tienen una carga positiva. Los nuetrones son eléctricamente nuetrales. La tabla periódica de los elementos organiza los diferentes tipos de átomos a medida que continúa agregando protones al núcleo.
No es posible tener un átomo estable con más de un protón en el núcleo sin agregar también nuetrones al núcleo, por lo que el núcleo de los átomos con múltiples protones también tiene nuetrones. Todos los protones tienen la misma carga positiva y se repelen fuertemente entre sí en función de esa carga. La fuerza nuclear fuerte los une, pero se necesitan nuetrones sin carga eléctrica en el núcleo para proporcionar suficiente fuerza fuerte para unir los protones. El número de nuetrones que pueden acompañar al mismo número de protones en el núcleo puede variar ligeramente, y estas variaciones en el número de nuetrones que pueden combinarse en el núcleo con el mismo número de protones se llaman isótopos del mismo elemento. Los nuetrones son más pesados que los protones en una pequeña cantidad (aproximadamente .2% más pesado).
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El hidrógeno simple tiene un núcleo con un protón. También puede tener un nuetrón agregado y aún así ser estable, y eso se conoce como deuterio. También puede tener dos nuetrones, y se conoce como tritio. Sin embargo, el tritio no es estable y se desintegra en Helio 3 (dos protones, un nuetrón). El helio estándar es dos protones, con dos nuetrones. Otro isótopo estable de helio tiene solo un nuetrón. El siguiente elemento con tres protones es el litio, y puede tener tres o cuatro nuetrones. Cada vez que agrega un protón, obtiene otro elemento con un cierto número de nuetrones.
Los electrones son atraídos al núcleo en función de la carga eléctrica y ocupan posiciones bien fuera del núcleo. Cada uno tiene una pequeña cantidad de masa (los protones son 1.837 veces más pesados que un electrón). Cada uno tiene una carga eléctrica negativa igual a la carga positiva de un protón. Un átomo estable tiene el mismo número de protones y electrones. Un átomo al que le falta uno o más electrones tiene una carga positiva y se conoce como ion. Quiere agarrar otro electrón y es muy químicamente reactivo.
Las reglas de la mecánica cuántica determinan las posiciones de los electrones alrededor del núcleo, y no tienen “sentido” en función de nuestras experiencias típicas con el mundo físico. A veces se representan como pequeños pedacitos que orbitan el núcleo, pero eso es incorrecto y engañoso. El resultado de las reglas que rigen el comportamiento de los electrones es el siguiente. Aunque fuertemente atraídos por la carga positiva del núcleo, no pueden combinarse con él. Ocupan zonas establecidas alrededor del núcleo. Solo hay muchas zonas disponibles, y una vez que todas las posiciones están ocupadas, los electrones ocupan zonas adicionales disponibles en un caparazón fuera del primer conjunto de zonas. Los átomos más complejos tienen múltiples capas de electrones ya que cada zona interna y capa está completamente ocupada. El número de zonas disponibles por capa comienza en dos, y aumenta para las capas más alejadas. El número de zonas disponibles para cada caparazón es el mismo para cada átomo.
El tamaño del núcleo que contiene los protones es pequeño en relación con el volumen ocupado por los electrones en sus zonas y capas alrededor del núcleo. Para el hidrógeno con un núcleo de un protón y un electrón fuera del núcleo, el tamaño total del átomo es 145,000 veces mayor que el núcleo (“tamaño” es la ubicación estáticamente más probable del electrón fuera del núcleo en su estado fundamental. El electrón es no es un punto discreto y existe como una probabilidad de ubicación, y se mueve más lejos del núcleo cuando está en un estado más enérgico. Esto es dictado por la mecánica cuántica). Para el uranio de elemento natural más grande, la relación entre el tamaño del átomo y el tamaño del núcleo (que ahora tiene un total de 92 protones y 146 nuetrones en el isótopo más común de uranio) es alrededor de 23,000 veces. El tamaño total de los átomos es enormemente pequeño. El más pequeño es el átomo de hidrógeno a .53 angstroms (un angstrom es una décima parte de una billonésima parte de un metro). El átomo de uranio es 2.30 angstroms.
Los átomos interactúan entre sí en su capa más externa de electrones. Es por eso que a veces se hace referencia a la materia como espacio mayormente vacío, ya que el espacio entre el núcleo de los átomos adyacentes es enorme, y esencialmente nada ocupa el espacio intermedio. Pero los átomos en sí mismos no se acercan más que sus capas más externas en la mayoría de las condiciones que no sean el interior de las estrellas.
