Atom merupakan komponen terkecil yang ada pada suatu unsur. Hingga ketika ini (Tahun 2015), komponen atom masih belum sanggup dibagi kembali menjadi komponen yang lebih kecil.
Setiap benda yang ada di dunia tersusun atas atom-atom yang membentuk satu kesatuan yang padu/utuh. Manusia, hewan, pohon, batu, air, api, dan banyak sekali macam benda lainnya, semuanya tersusun atas partikel atom.
Istilah atom sendiri pertama kali diungkapkan oleh Demokritos pada Tahun 450 SM di Yunani, dan kemudian dikembangkan oleh para peneliti ilmu kimia yang ada di seluruh penjuru Dunia.
Istilah atom pada dasarnya berasal dari bahasa Yunani yaitu dari kata “ atomos / ἄτομος / átomos / α-τεμνω” yang artinya ialah sudah tidak sanggup dipotong atau pun tidak sanggup dibagi lagi.
Menurut Wikipedia, pengertian atom ialah suatu satuan dasar materi, yang terdiri atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom terbentuk atas elemen proton yang mempunyai muatan positif, dan elemen neutron yang bermuatan netral.
Partikel subatom
Walaupun awalnya kata atom berarti suatu partikel yang tidak sanggup dipotong-potong lagi menjadi partikel yang lebih kecil, dalam terminologi ilmu pengetahuan modern, atom tersusun atas banyak sekali partikel subatom. Partikel-partikel penyusun atom ini ialah elektron, proton, dan neutron. Namun hidrogen-1 tidak mempunyai neutron. Demikian pula halnya pada ion hidrogen positif H+.
Dari kesemua partikel subatom ini, elektron ialah yang paling ringan, dengan massa elektron sebesar 9,11 × 10−31 kg dan mempunyai muatan negatif. Ukuran elektron sangatlah kecil sedemikiannya tiada teknik pengukuran yang sanggup dipakai untuk mengukur ukurannya.[32] Proton mempunyai muatan positif dan massa 1.836 kali lebih berat daripada elektron (1,6726 × 10−27 kg). Neutron tidak bermuatan listrik dan bermassa bebas 1.839 kali massa elektron[33] atau (1,6929 × 10−27 kg).
Dalam model standar fisika, baik proton dan neutron terdiri dari partikel elementer yang disebut kuark. Kuark termasuk kedalam golongan partikel fermion dan merupakan salah satu dari dua materi penyusun materi dasar (yang lainnya ialah lepton). Terdapat enam jenis kuark dan tiap-tiap kuark tersebut mempunyai muatan listri fraksional sebesar +2/3 ataupun −1/3. Proton terdiri dari dua kuark naik dan satu kuark turun, manakala neutron terdiri dari satu kuark naik dan dua kuark turun. Perbedaan komposisi kuark ini memengaruhi perbedaan massa dan muatan antara dua partikel tersebut. Kuark terikat bersama oleh gaya nuklir besar lengan berkuasa yang diperantarai oleh gluon. Gluon ialah anggota dari boson tolok yang merupakan mediator gaya-gaya fisika.
Inti atom
Inti atom terdiri atas proton dan neutron yang terikat bersama pada pusat atom. Secara kolektif, proton dan neutron tersebut disebut sebagai nukleon (partikel penyusun inti). Diameter inti atom berkisar antara 10−15 hingga 10−14m.[36] Jari-jari inti diperkirakan sama dengan {\displaystyle {\begin{smallmatrix}1,07{\sqrt[{3}]{A}}\end{smallmatrix}}} {\displaystyle {\begin{smallmatrix}1,07{\sqrt[{3}]{A}}\end{smallmatrix}}} fm, dengan A ialah jumlah nukleon.[37] Hal ini sangatlah kecil dibandingkan dengan jari-jari atom. Nukleon-nukleon tersebut terikat bersama oleh gaya tarik-menarik potensial yang disebut gaya besar lengan berkuasa residual. Pada jarak lebih kecil daripada 2,5 fm, gaya ini lebih besar lengan berkuasa daripada gaya elektrostatik yang mengakibatkan proton saling tolak menolak.[38]
Atom dari unsur kimia yang sama mempunyai jumlah proton yang sama, disebut nomor atom. Suatu unsur sanggup mempunyai jumlah neutron yang bervariasi. Variasi ini disebut sebagai isotop. Jumlah proton dan neutron suatu atom akan memilih nuklida atom tersebut, sedangkan jumlah neutron relatif terhadap jumlah proton akan memilih stabilitas inti atom, dengan isotop unsur tertentu akan menjalankan peluruhan radioaktif.[39]
Neutron dan proton ialah dua jenis fermion yang berbeda. Asas pengecualian Pauli melarang adanya keberadaan fermion yang identik (seperti contohnya proton berganda) menduduki suatu keadaan fisik kuantum yang sama pada waktu yang sama. Oleh lantaran itu, setiap proton dalam inti atom harusnya menduduki keadaan kuantum yang berbeda dengan aras energinya masing-masing. Asas Pauli ini juga berlaku untuk neutron. Pelarangan ini tidak berlaku bagi proton dan neutron yang menduduki keadaan kuantum yang sama.[40]
Untuk atom dengan nomor atom yang rendah, inti atom yang mempunyai jumlah proton lebih banyak daripada neutron berpotensi jatuh ke keadaan energi yang lebih rendah melalui peluruhan radioaktif yang mengakibatkan jumlah proton dan neutron seimbang. Oleh lantaran itu, atom dengan jumlah proton dan neutron yang berimbang lebih stabil dan cenderung tidak meluruh. Namun, dengan meningkatnya nomor atom, gaya tolak-menolak antar proton menciptakan inti atom memerlukan proporsi neutron yang lebih tinggi lagi untuk menjaga stabilitasnya. Pada inti yang paling berat, rasio neutron per proton yang diharapkan untuk menjaga stabilitasnya akan meningkat menjadi 1,5.
Jumlah proton dan neutron pada inti atom sanggup diubah, walaupun hal ini memerlukan energi yang sangat tinggi oleh lantaran gaya atraksinya yang kuat. Fusi nuklir terjadi ketika banyak partikel atom bergabung membentuk inti yang lebih berat. Sebagai contoh, pada inti Matahari, proton memerlukan energi sekitar 3–10 keV untuk mengatasi gaya tolak-menolak antar sesamanya dan bergabung menjadi satu inti.[41] Fisi nuklir merupakan kebalikan dari proses fusi. Pada fisi nuklir, inti dipecah menjadi dua inti yang lebih kecil. Hal ini biasanya terjadi melalui peluruhan radioaktif. Inti atom juga sanggup diubah melalui penembakan partikel subatom berenergi tinggi. Apabila hal ini mengubah jumlah proton dalam inti, atom tersebut akan berubah unsurnya.[42][43]
Jika massa inti setelah terjadinya reaksi fusi lebih kecil daripada jumlah massa partikel awal penyusunnya, maka perbedaan ini disebabkan oleh pelepasan pancaran energi (misalnya sinar gamma), sebagaimana yang ditemukan pada rumus kesetaraan massa-energi Einstein, E = mc2, dengan m ialah massa yang hilang dan c ialah kecepatan cahaya. Defisit ini merupakan kepingan dari energi pengikatan inti yang baru.[44]
Fusi dua inti yang menghasilkan inti yang lebih besar dengan nomor atom lebih rendah daripada besi dan nikel (jumlah total nukleon sama dengan 60) biasanya bersifat eksotermik, yang berarti bahwa proses ini melepaskan energi.[45] Adalah proses pelepasan energi inilah yang menciptakan fusi nuklir pada bintang sanggup dipertahankan. Untuk inti yang lebih berat, energi pengikatan per nukleon dalam inti mulai menurun. Ini berarti bahwa proses fusi akan bersifat endotermik
Awan elektron
Elektron dalam suatu atom ditarik oleh proton dalam inti atom melalui gaya elektromagnetik. Gaya ini mengikat elektron dalam sumur potensi elektrostatik di sekitar inti. Hal ini berarti bahwa energi luar diharapkan semoga elektron sanggup lolos dari atom. Semakin akrab suatu elektron dalam inti, semakin besar gaya atraksinya, sehingga elektron yang berada akrab dengan pusat sumur potensi memerlukan energi yang lebih besar untuk lolos.
Elektron, sama ibarat partikel lainnya, mempunyai sifat ibarat partikel maupun ibarat gelombang (dualisme gelombang-partikel). Awan elektron ialah suatu tempat dalam sumur potensi di mana tiap-tiap elektron menghasilkan sejenis gelombang membisu (yaitu gelombang yang tidak bergerak relatif terhadap inti) tiga dimensi. Perilaku ini ditentukan oleh orbital atom, yakni suatu fungsi matematika yang menghitung probabilitas suatu elektron akan muncul pada suatu lokasi tertentu ketika posisinya diukur.[46] Hanya akan ada satu himpunan orbital tertentu yang berada disekitar inti, lantaran pola-pola gelombang lainnya akan dengan cepat meluruh menjadi bentuk yang lebih stabil.
Tiap-tiap orbital atom berkoresponden terhadap aras energi elektron tertentu. Elektron sanggup berubah keadaannya ke aras energi yang lebih tinggi dengan menyerap sebuah foton. Selain sanggup naik menuju aras energi yang lebih tinggi, suatu elektron sanggup pula turun ke keadaan energi yang lebih rendah dengan memancarkan energi yang berlebih sebagai foton.[47]
Energi yang diharapkan untuk melepaskan ataupun menambah satu elektron (energi pengikatan elektron) ialah lebih kecil daripada energi pengikatan nukleon. Sebagai contohnya, hanya diharapkan 13,6 eV untuk melepaskan elektron dari atom hidrogen.[48] Bandingkan dengan energi sebesar 2,3 MeV yang diharapkan untuk memecah inti deuterium.[49] Atom bermuatan listrik netral oleh lantaran jumlah proton dan elektronnya yang sama. Atom yang kekurangan ataupun kelebihan elektron disebut sebagai ion. Elektron yang terletak paling luar dari inti sanggup ditransfer ataupun dibagi ke atom terdekat lainnya. Dengan cara inilah, atom sanggup saling berikatan membentuk molekul
!Artikel utama untuk kepingan ini adalah: Isotop dan Isotop stabil
Berdasarkan definisi, dua atom dengan jumlah proton yang identik dalam pada dasarnya termasuk ke dalam unsur kimia yang sama. Atom dengan jumlah proton sama namun dengan jumlah neutron berbeda ialah dua isotop berbeda dari satu unsur yang sama. Sebagai contohnya, semua hidrogen mempunyai satu proton, namun terdapat satu isotop hidrogen yang tidak mempunyai neutron (hidrogen-1), satu isotop yang mempunyai satu neutron (deuterium), dua neutron (tritium), dll. Hidrogen-1 ialah bentuk isotop hidrogen yang paling umum. Kadang-kadang ia disebut sebagai protium.[51] Semua isotop unsur yang bernomor atom lebih besar daripada 82 bersifat radioaktif.[52][53]
Dari sekitar 339 nuklida yang terbentuk secara alami di Bumi, 269 di antaranya belum pernah terpantau meluruh.[54] Pada unsur kimia, 80 dari unsur yang diketahui mempunyai satu atau lebih isotop stabil. Unsur 43, 63, dan semua unsur lebih tinggi dari 83 tidak mempunyai isotop stabil. Dua puluh tujuh unsur hanya mempunyai satu isotop stabil, manakala jumlah isotop stabil yang paling banyak terpantau pada unsur timah dengan 10 jenis isotop stabil.[55]
Massa
Karena lebih banyak didominasi massa atom berasal dari proton dan neutron, jumlah keseluruhan partikel ini dalam atom disebut sebagai nomor massa. Massa atom pada keadaan membisu sering diekspresikan memakai satuan massa atom (u) yang juga disebut dalton (Da). Satuan ini didefinisikan sebagai seperduabelas massa atom karbon-12 netral, yang kira-kira sebesar 1,66 × 10−27 kg.[56] Hidrogen-1 yang merupakan isotop teringan hidrogen mempunyai bobot atom 1,007825 u.[57] Atom mempunyai massa yang kira-kira sama dengan nomor massanya dikalikan satuan massa atom.[58] Atom stabil yang paling berat ialah timbal-208,[52] dengan massa sebesar 207,9766521 u.[59]
Para kimiawan biasanya memakai satuan mol untuk menyatakan jumlah atom. Satu mol didefinisikan sebagai jumlah atom yang terdapat pada 12 gram persis karbon-12. Jumlah ini ialah sekitar 6,022 × 1023, yang dikenal pula dengan nama tetapan Avogadro. Dengan demikian suatu unsur dengan massa atom 1 u akan mempunyai satu mol atom yang bermassa 0,001 kg. Sebagai contohnya, Karbon mempunyai massa atom 12 u, sehingga satu mol karbon atom mempunyai massa 0,012 kg.[56]
Ukuran
Atom tidak mempunyai batasan luar yang jelas, sehingga dimensi atom biasanya dideskripsikan sebagai jarak antara dua inti atom ketika dua atom bergabung bersama dalam ikatan kimia. Jari-jari ini bervariasi tergantung pada jenis atom, jenis ikatan yang terlibat, jumlah atom di sekitarnya, dan spin atom.[60] Pada tabel periodik unsur-unsur, jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya periode (atas ke bawah). Sebaliknya jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan menurunnya nomor golongan (kanan ke kiri).[61] Oleh lantaran itu, atom yang terkecil ialah helium dengan jari-jari 32 pm, manakala yang terbesar ialah sesium dengan jari-jari 225 pm.[62] Dimensi ini ribuan kali lebih kecil daripada gelombang cahaya (400–700 nm), sehingga atom tidak sanggup dilihat memakai mikroskop optik biasa. Namun, atom sanggup dipantau memakai mikroskop gaya atom.
Ukuran atom sangatlah kecil, sedemikian kecilnya lebar satu helai rambut sanggup menampung sekitar 1 juta atom karbon.[63] Satu tetes air pula mengandung sekitar 2 × 1021 atom oksigen.[64] Intan satu karat dengan massa 2 × 10-4 kg mengandung sekitar 1022 atom karbon.[catatan 2] Jika sebuah apel diperbesar hingga seukuran besarnya Bumi, maka atom dalam apel tersebut akan terlihat sebesar ukuran apel awal tersebut.[65]
Peluruhan radioaktif
Setiap unsur mempunyai satu atau lebih isotop berinti tak stabil yang akan mengalami peluruhan radioaktif, mengakibatkan inti melepaskan partikel ataupun radiasi elektromagnetik. Radioaktivitas sanggup terjadi ketika jari-jari inti sangat besar dibandingkan dengan jari-jari gaya besar lengan berkuasa (hanya bekerja pada jarak sekitar 1 fm).
Bentuk-bentuk peluruhan radioaktif yang paling umum adalah:
Peluruhan alfa, terjadi ketika suatu inti memancarkan partikel alfa (inti helium yang terdiri dari dua proton dan dua neutron). Hasil peluruhan ini ialah unsur gres dengan nomor atom yang lebih kecil.
Peluruhan beta, diatur oleh gaya lemah, dan dihasilkan oleh transformasi neutron menjadi proton, ataupun proton menjadi neutron. Transformasi neutron menjadi proton akan diikuti oleh emisi satu elektron dan satu antineutrino, manakala transformasi proton menjadi neutron diikuti oleh emisi satu positron dan satu neutrino. Emisi elektron ataupun emisi positron disebut sebagai partikel beta. Peluruhan beta sanggup meningkatkan maupun menurunkan nomor atom inti sebesar satu.
Peluruhan gama, dihasilkan oleh perubahan pada aras energi inti ke keadaan yang lebih rendah, mengakibatkan emisi radiasi elektromagnetik. Hal ini sanggup terjadi setelah emisi partikel alfa ataupun beta dari peluruhan radioaktif.
Jenis-jenis peluruhan radioaktif lainnya yang lebih jarang mencakup pelepasan neutron dan proton dari inti, emisi lebih dari satu partikel beta, ataupun peluruhan yang menimbulkan produksi elektron berkecepatan tinggi yang bukan sinar beta, dan produksi foton berenergi tinggi yang bukan sinar gama
Tiap-tiap isotop radioaktif mempunyai karakteristik periode waktu peluruhan (waktu paruh) yang merupakan lamanya waktu yang diharapkan oleh setengah jumlah sampel untuk meluruh habis. Proses peluruhan bersifat eksponensial, sehingga setelah dua waktu paruh, hanya akan tersisa 25% isotop.[66]
Momen magnetik
Setiap partikel elementer mempunyai sifat mekanika kuantum intrinsik yang dikenal dengan nama spin. Spin beranalogi dengan momentum sudut suatu objek yang berputar pada pusat massanya, walaupun secara kaku partikel tidaklah berperilaku ibarat ini. Spin diukur dalam satuan tetapan Planck tereduksi (ħ), dengan elektron, proton, dan neutron semuanya mempunyai spin ½ ħ, atau "spin-½". Dalam atom, elektron yang bergerak di sekitar inti atom selain mempunyai spin juga mempunyai momentum sudut orbital, manakala inti atom mempunyai momentum sudut pula oleh lantaran spin nuklirnya sendiri.
Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen magnetik) ditentukan oleh kombinasi banyak sekali macam momentum sudut ini. Namun, bantuan yang terbesar tetap berasal dari spin. Oleh lantaran elektron mematuhi asas pengecualian Pauli, yakni tiada dua elektron yang sanggup ditemukan pada keadaan kuantum yang sama, pasangan elektron yang terikat satu sama lainnya mempunyai spin yang berlawanan, dengan satu berspin naik, dan yang satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akan saling menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapa atom berjumlah elektron genap.
Pada atom berelektron ganjil ibarat besi, adanya keberadaan elektron yang tak berpasangan mengakibatkan atom tersebut bersifat feromagnetik. Orbital-orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun berjajaran, materi yang tersusun oleh atom ini sanggup menghasilkan medan makroskopis yang sanggup dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik mempunyai atom dengan momen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan magnet.
Inti atom juga sanggup mempunyai spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh lantaran kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), ialah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini mempunyai aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansi magnetik.
Aras-aras energi
Ketika suatu elektron terikat pada sebuah atom, ia mempunyai energi potensial yang berbanding terbalik terhadap jarak elektron terhadap inti. Hal ini diukur oleh besarnya energi yang diharapkan untuk melepaskan elektron dari atom dan biasanya diekspresikan dengan satuan elektronvolt (eV). Dalam model mekanika kuantum, elektron-elektron yang terikat hanya sanggup menduduki satu set keadaan yang berpusat pada inti, dan tiap-tiap keadaan berkorespondensi terhadap aras energi tertentu. Keadaan energi terendah suatu elektron yang terikat disebut sebagai keadaan dasar, manakala keadaan energi yang lebih tinggi disebut sebagai keadaan tereksitasi.[74]
Agar suatu elektron sanggup meloncat dari satu keadaan ke keadaan lainnya, ia haruslah menyerap ataupun memancarkan foton pada energi yang sesuai dengan perbedaan energi potensial antar dua aras tersebut. Energi foton yang dipancarkan ialah sebanding dengan frekuensinya.[75] Tiap-tiap unsur mempunyai spektrum karakteristiknya masing-masing. Hal ini bergantung pada muatan inti, subkelopak yang terisi dengan elektron, interaksi elektromagnetik antar elektron, dan faktor-faktor lainnya.
Ketika suatu spektrum energi yang berkelanjutan dipancarkan melalui suatu gas ataupun plasma, beberapa foton diserap oleh atom, mengakibatkan elektron berpindah aras energi. Elektron yang tereksitasi akan secara impulsif memancarkan energi ini sebagai foton dan jatuh kembali ke aras energi yang lebih rendah. Oleh lantaran itu, atom berperilaku ibarat materi penyaring yang akan membentuk sederetan pita absorpsi. Pengukuran spektroskopi terhadap kekuatan dan lebar pita spektrum mengizinkan penentuan komposisi dan sifat-sifat fisika suatu zat.[77]
Pemantauan cermat pada garis-garis spektrum memperlihatkan bahwa beberapa memperlihatkan adanya pemisahan halus. Hal ini terjadi lantaran kopling spin-orbit yang merupakan interaksi antara spin dengan gerak elektron terluar.[78] Ketika suatu atom berada dalam medan magnet eksternal, garis-garis spektrum terpisah menjadi tiga atau lebih komponen. Hal ini disebut sebagai imbas Zeeman. Efek Zeeman disebabkan oleh interaksi medan magnet dengan momen magnetik atom dan elektronnya. Beberapa atom sanggup mempunyai banyak konfigurasi elektron dengan aras energi yang sama, sehingga akan tampak sebagai satu garis spektrum. Interaksi medan magnet dengan atom akan menggeser konfigurasi-konfigurasi elektron menuju aras energi yang sedikit berbeda, mengakibatkan garis spektrum berganda.[79] Keberadaan medan listrik eksternal sanggup mengakibatkan pemisahan dan pergeseran garis spektrum dengan mengubah aras energi elektron. Fenomena ini disebut sebagai imbas Stark.[80]
Valensi dan sikap ikatan
!Artikel utama untuk kepingan ini adalah: Valensi (kimia) dan Ikatan kimia
Kelopak atau kulit elektron terluar suatu atom dalam keadaan yang tak terkombinasi disebut sebagai kelopak valensi dan elektron dalam kelopak tersebut disebut elektron valensi. Jumlah elektron valensi memilih sikap ikatan atom tersebut dengan atom lainnya. Atom cenderung bereaksi dengan satu sama lainnya melalui pengisian (ataupun pengosongan) elektron valensi terluar atom.[81] Ikatan kimia sanggup dilihat sebagai transfer elektron dari satu atom ke atom lainnya, ibarat yang terpantau pada natrium klorida dan garam-garam ionik lainnya. Namun, banyak pula unsur yang memperlihatkan sikap valensi berganda, atau kecenderungan membagi elektron dengan jumlah yang berbeda pada senyawa yang berbeda. Sehingga, ikatan kimia antara unsur-unsur ini cenderung berupa pembagian elektron daripada transfer elektron. Contohnya mencakup unsur karbon dalam senyawa organik.[82]
Unsur-unsur kimia sering ditampilkan dalam tabel periodik yang menampilkan sifat-sifat kimia suatu unsur yang berpola. Unsur-unsur dengan jumlah elektron valensi yang sama dikelompokkan secara vertikel (disebut golongan). Unsur-unsur pada kepingan terkanan tabel mempunyai kelopak terluarnya terisi penuh, mengakibatkan unsur-unsur tersebut cenderung bersifat inert (gas mulia).
Keadaan
Sejumlah atom ditemukan dalam keadaan materi yang berbeda-beda tergantung pada kondisi fisik benda, yakni suhu dan tekanan. Dengan mengubah kondisi tersebut, materi sanggup berubah-ubah menjadi bentuk padat, cair, gas, dan plasma. Dalam tiap-tiap keadaan tersebut pula materi sanggup mempunyai banyak sekali fase. Sebagai contohnya pada karbon padat, ia sanggup berupa grafit maupun intan.
Pada suhu mendekati nol mutlak, atom sanggup membentuk kondensat Bose-Einstein, di mana efek-efek mekanika kuantum yang biasanya hanya terpantau pada skala atom terpantau secara makroskopis.Kumpulan atom-atom yang dilewat-dinginkan ini berperilaku ibarat satu atom super.
Identifikasi
Mikroskop penerowongan payaran (scanning tunneling microscope) ialah suatu mikroskop yang dipakai untuk melihat permukaan suatu benda pada tingkat atom. Alat ini memakai fenomena penerowongan kuantum yang mengizinkan partikel-partikel menembus sawar yang biasanya tidak sanggup dilewati.
Sebuah atom sanggup diionisasi dengan melepaskan satu elektronnya. Muatan yang ada mengakibatkan trayektori atom melengkung ketika ia melalui sebuah medan magnet. Jari-jari trayektori ion tersebut ditentukan oleh massa atom. Spektrometer massa memakai prinsip ini untuk menghitung rasio massa terhadap muatan ion. Apabila sampel tersebut mengandung sejumlah isotop, spektrometer massa sanggup memilih proporsi tiap-tiap isotop dengan mengukur intensitas berkas ion yang berbeda. Teknik untuk menguapkan atom mencakup plasma gandeng induktif-spektroskopi emisi atom (inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy, ICP-AES) dan plasma gandeng induktif-spektrometri massa (inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS), keduanya memakai plasma untuk menguapkan sampel analisis.
Metode lainnya yang lebih selektif ialah spektroskopi pelepasan energi elektron (electron energy loss spectroscopy), yang mengukur pelepasan energi berkas elektron dalam suatu mikroskop elektron transmisi ketika ia berinteraksi dengan sampel. Tomografi kuar atom mempunyai resolusi sub-nanometer dalam 3-D dan sanggup secara kimiawi mengidentifikasi atom-atom individu memakai spektrometri massa waktu lintas.
Spektrum keadaan tereksitasi sanggup dipakai untuk menganalisis komposisi atom bintang yang jauh. Panjang gelombang cahaya tertentu yang dipancarkan oleh bintang sanggup dipisahkan dan dicocokkan dengan transisi terkuantisasi atom gas bebas. Warna bintang kemudian sanggup direplikasi memakai lampu lucutan gas yang mengandung unsur yang sama. Helium pada Matahari ditemukan dengan memakai cara ini 23 tahun sebelum ia ditemukan di Bumi
Nukleosintesis
Proton dan elektron yang stabil muncul satu detik setelah insiden Dentuman Besar. Dalam masa waktu tiga menit sesudahnya, nukleosintesis Dentuman Besar kebanyakan menghasilkan helium, litium, dan deuterium, dan mungkin juga beberapa berilium dan boron.[99][100][101] Atom pertama (dengan elektron yang terikat dengannya) secara teoretis tercipta 380.000 tahun setelah Dentuman Besar, yaitu ketika alam semesta yang mengembang cukup cuek untuk mengizinkan elektron-elektron terikat pada inti atom.[102] Sejak ketika itulah, inti atom mulai bergabung dalam bintang-bintang melalui proses fusi nuklir dan menghasilkan unsur-unsur yang lebih berat hingga dengan besi.[103]
Isotop ibarat litium-6 dihasilkan di ruang angkasa melalui spalasi sinar kosmis.[104] Hal ini terjadi ketika sebuah proton berenergi tinggi menumbuk inti atom, mengakibatkan sejumlah besar nukleon berhamburan. Unsur yang lebih berat daripada besi dihasilkan di supernova melalui proses r dan di bintang-bintang AGB melalui proses s. Kedua-duanya melibatkan penangkapan neutron oleh inti atom.[105] Unsur-unsur ibarat timbal kebanyakan dibuat melalui peluruhan radioaktif unsur-unsur lain yang lebih berat.[106]
Bumi
Kebanyakan atom yang menyusun Bumi dan termasuk pula seluruh makhluk hidupnya pernah berada dalam bentuk yang kini di nebula yang runtuh dari awan molekul dan membentuk Tata Surya. Sisanya merupakan akhir dari peluruhan radioaktif dan proporsinya sanggup dipakai untuk memilih usia Bumi melalui penanggalan radiometrik.[107][108] Kebanyakan helium dalam kerak Bumi merupakan produk peluruhan alfa.[109]
Terdapat sekelumit atom di Bumi yang pada awal pembentukannya tidak ada dan juga bukan merupakan akhir dari peluruhan radioaktif. Karbon-14 secara berkesinambungan dihasilkan oleh sinar kosmik di atmosfer.[110] Beberapa atom di Bumi secara buatan dihasilkan oleh reaktor ataupun senjata nuklir.[111][112] Dari semua Unsur-unsur transuranium yang bernomor atom lebih besar daripada 92, hanya plutonium dan neptunium sajalah yang terdapat di Bumi secara alami.[113][114] Unsur-unsur transuranium mempunyai waktu paruh radioaktif yang lebih pendek daripada umur Bumi[115], sehingga unsur-unsur ini telah usang meluruh. Pengecualian terdapat pada plutonium-244 yang kemungkinan tersimpan dalam debu kosmik.[107] Kandungan alami plutonium dan neptunium dihasilkan dari penangkapan neutron dalam bijih uranium.[116]
Bumi mengandung sekitar 1,33 × 1050 atom.[117] Pada atmosfer planet, terdapat sejumlah kecil atom gas mulia ibarat argon dan neon. Sisa 99% atom pada atmosfer bumi terikat dalam bentuk molekul, contohnya karbon dioksida, oksigen diatomik, dan nitrogen diatomik. Pada permukaan Bumi, atom-atom saling berikatan membentuk banyak sekali macam senyawa, mencakup air, garam, silikat, dan oksida. Atom juga sanggup bergabung membentuk bahan-bahan yang tidak terdiri dari molekul, contohnya kristal dan logam padat ataupun cair.
Bentuk teoretis dan bentuk langka
Manakala isotop dengan nomor atom yang lebih tinggi daripada timbal (62) bersifat radioaktif, terdapat suatu "pulau stabilitas" yang diajukan untuk beberapa unsur dengan nomor atom di atas 103. Unsur-unsur super berat ini kemungkinan mempunyai inti yang secara relatif stabil terhadap peluruhan radioaktif. Atom super berat yang stabil ini kemungkinan besar ialah unbiheksium, dengan 126 proton 184 neutron.
Tiap-tiap partikel materi mempunyai partikel antimaterinya masing-masing dengan muatan listrik yang berlawanan. Sehingga, positron ialah antielektron yang bermuatan positif, dan antiproton ialah proton yang bermuatan negatif, Ketika materi dan antimateri bertemu, keduanya akan saling memusnahkan. Terdapat ketidakseimbangan antara jumlah partikel materi dan antimateri. Ketidakseimbangan ini masih belum dipahami secara menyeluruh, walaupun terdapat teori bariogenesis yang memperlihatkan klarifikasi yang memungkinkan. Antimateri tidak pernah ditemukan secara alami.Namun, pada tahun 1996, antihidrogen berhasil disintesis di laboratorium CERN di Jenewa.
Terdapat pula atom-atom langka lainnya yang dibuat dengan menggantikan satu proton, neutron, ataupun elektron dengan partikel lain yang bermuatan sama. Sebagai contoh, elektron sanggup digantikan dengan muon yang lebih berat, membentuk atom muon. Jenis atom ini sanggup dipakai untuk menguji prediksi fisika.
Setiap benda yang ada di dunia tersusun atas atom-atom yang membentuk satu kesatuan yang padu/utuh. Manusia, hewan, pohon, batu, air, api, dan banyak sekali macam benda lainnya, semuanya tersusun atas partikel atom.
 |
| Pengertian Atom, Jenis, Sifat dan Komponen-komponen Atom Lengkap |
Definisi dan Pengertian Atom
Istilah atom pada dasarnya berasal dari bahasa Yunani yaitu dari kata “ atomos / ἄτομος / átomos / α-τεμνω” yang artinya ialah sudah tidak sanggup dipotong atau pun tidak sanggup dibagi lagi.Menurut Wikipedia, pengertian atom ialah suatu satuan dasar materi, yang terdiri atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom terbentuk atas elemen proton yang mempunyai muatan positif, dan elemen neutron yang bermuatan netral.
Komponen – komponen dalam Atom
Berdasarkan penelitian, sebuah atom terdiri dari tiga komponen dasar yaitu komponen partikel subatom, komponen inti atom, dan komponen awan elektron.Partikel subatom
Walaupun awalnya kata atom berarti suatu partikel yang tidak sanggup dipotong-potong lagi menjadi partikel yang lebih kecil, dalam terminologi ilmu pengetahuan modern, atom tersusun atas banyak sekali partikel subatom. Partikel-partikel penyusun atom ini ialah elektron, proton, dan neutron. Namun hidrogen-1 tidak mempunyai neutron. Demikian pula halnya pada ion hidrogen positif H+.
Dari kesemua partikel subatom ini, elektron ialah yang paling ringan, dengan massa elektron sebesar 9,11 × 10−31 kg dan mempunyai muatan negatif. Ukuran elektron sangatlah kecil sedemikiannya tiada teknik pengukuran yang sanggup dipakai untuk mengukur ukurannya.[32] Proton mempunyai muatan positif dan massa 1.836 kali lebih berat daripada elektron (1,6726 × 10−27 kg). Neutron tidak bermuatan listrik dan bermassa bebas 1.839 kali massa elektron[33] atau (1,6929 × 10−27 kg).
Dalam model standar fisika, baik proton dan neutron terdiri dari partikel elementer yang disebut kuark. Kuark termasuk kedalam golongan partikel fermion dan merupakan salah satu dari dua materi penyusun materi dasar (yang lainnya ialah lepton). Terdapat enam jenis kuark dan tiap-tiap kuark tersebut mempunyai muatan listri fraksional sebesar +2/3 ataupun −1/3. Proton terdiri dari dua kuark naik dan satu kuark turun, manakala neutron terdiri dari satu kuark naik dan dua kuark turun. Perbedaan komposisi kuark ini memengaruhi perbedaan massa dan muatan antara dua partikel tersebut. Kuark terikat bersama oleh gaya nuklir besar lengan berkuasa yang diperantarai oleh gluon. Gluon ialah anggota dari boson tolok yang merupakan mediator gaya-gaya fisika.
Inti atom
Inti atom terdiri atas proton dan neutron yang terikat bersama pada pusat atom. Secara kolektif, proton dan neutron tersebut disebut sebagai nukleon (partikel penyusun inti). Diameter inti atom berkisar antara 10−15 hingga 10−14m.[36] Jari-jari inti diperkirakan sama dengan {\displaystyle {\begin{smallmatrix}1,07{\sqrt[{3}]{A}}\end{smallmatrix}}} {\displaystyle {\begin{smallmatrix}1,07{\sqrt[{3}]{A}}\end{smallmatrix}}} fm, dengan A ialah jumlah nukleon.[37] Hal ini sangatlah kecil dibandingkan dengan jari-jari atom. Nukleon-nukleon tersebut terikat bersama oleh gaya tarik-menarik potensial yang disebut gaya besar lengan berkuasa residual. Pada jarak lebih kecil daripada 2,5 fm, gaya ini lebih besar lengan berkuasa daripada gaya elektrostatik yang mengakibatkan proton saling tolak menolak.[38]
Atom dari unsur kimia yang sama mempunyai jumlah proton yang sama, disebut nomor atom. Suatu unsur sanggup mempunyai jumlah neutron yang bervariasi. Variasi ini disebut sebagai isotop. Jumlah proton dan neutron suatu atom akan memilih nuklida atom tersebut, sedangkan jumlah neutron relatif terhadap jumlah proton akan memilih stabilitas inti atom, dengan isotop unsur tertentu akan menjalankan peluruhan radioaktif.[39]
Neutron dan proton ialah dua jenis fermion yang berbeda. Asas pengecualian Pauli melarang adanya keberadaan fermion yang identik (seperti contohnya proton berganda) menduduki suatu keadaan fisik kuantum yang sama pada waktu yang sama. Oleh lantaran itu, setiap proton dalam inti atom harusnya menduduki keadaan kuantum yang berbeda dengan aras energinya masing-masing. Asas Pauli ini juga berlaku untuk neutron. Pelarangan ini tidak berlaku bagi proton dan neutron yang menduduki keadaan kuantum yang sama.[40]
Untuk atom dengan nomor atom yang rendah, inti atom yang mempunyai jumlah proton lebih banyak daripada neutron berpotensi jatuh ke keadaan energi yang lebih rendah melalui peluruhan radioaktif yang mengakibatkan jumlah proton dan neutron seimbang. Oleh lantaran itu, atom dengan jumlah proton dan neutron yang berimbang lebih stabil dan cenderung tidak meluruh. Namun, dengan meningkatnya nomor atom, gaya tolak-menolak antar proton menciptakan inti atom memerlukan proporsi neutron yang lebih tinggi lagi untuk menjaga stabilitasnya. Pada inti yang paling berat, rasio neutron per proton yang diharapkan untuk menjaga stabilitasnya akan meningkat menjadi 1,5.
Jumlah proton dan neutron pada inti atom sanggup diubah, walaupun hal ini memerlukan energi yang sangat tinggi oleh lantaran gaya atraksinya yang kuat. Fusi nuklir terjadi ketika banyak partikel atom bergabung membentuk inti yang lebih berat. Sebagai contoh, pada inti Matahari, proton memerlukan energi sekitar 3–10 keV untuk mengatasi gaya tolak-menolak antar sesamanya dan bergabung menjadi satu inti.[41] Fisi nuklir merupakan kebalikan dari proses fusi. Pada fisi nuklir, inti dipecah menjadi dua inti yang lebih kecil. Hal ini biasanya terjadi melalui peluruhan radioaktif. Inti atom juga sanggup diubah melalui penembakan partikel subatom berenergi tinggi. Apabila hal ini mengubah jumlah proton dalam inti, atom tersebut akan berubah unsurnya.[42][43]
Jika massa inti setelah terjadinya reaksi fusi lebih kecil daripada jumlah massa partikel awal penyusunnya, maka perbedaan ini disebabkan oleh pelepasan pancaran energi (misalnya sinar gamma), sebagaimana yang ditemukan pada rumus kesetaraan massa-energi Einstein, E = mc2, dengan m ialah massa yang hilang dan c ialah kecepatan cahaya. Defisit ini merupakan kepingan dari energi pengikatan inti yang baru.[44]
Fusi dua inti yang menghasilkan inti yang lebih besar dengan nomor atom lebih rendah daripada besi dan nikel (jumlah total nukleon sama dengan 60) biasanya bersifat eksotermik, yang berarti bahwa proses ini melepaskan energi.[45] Adalah proses pelepasan energi inilah yang menciptakan fusi nuklir pada bintang sanggup dipertahankan. Untuk inti yang lebih berat, energi pengikatan per nukleon dalam inti mulai menurun. Ini berarti bahwa proses fusi akan bersifat endotermik
Awan elektron
Elektron dalam suatu atom ditarik oleh proton dalam inti atom melalui gaya elektromagnetik. Gaya ini mengikat elektron dalam sumur potensi elektrostatik di sekitar inti. Hal ini berarti bahwa energi luar diharapkan semoga elektron sanggup lolos dari atom. Semakin akrab suatu elektron dalam inti, semakin besar gaya atraksinya, sehingga elektron yang berada akrab dengan pusat sumur potensi memerlukan energi yang lebih besar untuk lolos.
Elektron, sama ibarat partikel lainnya, mempunyai sifat ibarat partikel maupun ibarat gelombang (dualisme gelombang-partikel). Awan elektron ialah suatu tempat dalam sumur potensi di mana tiap-tiap elektron menghasilkan sejenis gelombang membisu (yaitu gelombang yang tidak bergerak relatif terhadap inti) tiga dimensi. Perilaku ini ditentukan oleh orbital atom, yakni suatu fungsi matematika yang menghitung probabilitas suatu elektron akan muncul pada suatu lokasi tertentu ketika posisinya diukur.[46] Hanya akan ada satu himpunan orbital tertentu yang berada disekitar inti, lantaran pola-pola gelombang lainnya akan dengan cepat meluruh menjadi bentuk yang lebih stabil.
Tiap-tiap orbital atom berkoresponden terhadap aras energi elektron tertentu. Elektron sanggup berubah keadaannya ke aras energi yang lebih tinggi dengan menyerap sebuah foton. Selain sanggup naik menuju aras energi yang lebih tinggi, suatu elektron sanggup pula turun ke keadaan energi yang lebih rendah dengan memancarkan energi yang berlebih sebagai foton.[47]
Energi yang diharapkan untuk melepaskan ataupun menambah satu elektron (energi pengikatan elektron) ialah lebih kecil daripada energi pengikatan nukleon. Sebagai contohnya, hanya diharapkan 13,6 eV untuk melepaskan elektron dari atom hidrogen.[48] Bandingkan dengan energi sebesar 2,3 MeV yang diharapkan untuk memecah inti deuterium.[49] Atom bermuatan listrik netral oleh lantaran jumlah proton dan elektronnya yang sama. Atom yang kekurangan ataupun kelebihan elektron disebut sebagai ion. Elektron yang terletak paling luar dari inti sanggup ditransfer ataupun dibagi ke atom terdekat lainnya. Dengan cara inilah, atom sanggup saling berikatan membentuk molekul
Sifat-sifat
Sifat-sifat nuklir!Artikel utama untuk kepingan ini adalah: Isotop dan Isotop stabil
Berdasarkan definisi, dua atom dengan jumlah proton yang identik dalam pada dasarnya termasuk ke dalam unsur kimia yang sama. Atom dengan jumlah proton sama namun dengan jumlah neutron berbeda ialah dua isotop berbeda dari satu unsur yang sama. Sebagai contohnya, semua hidrogen mempunyai satu proton, namun terdapat satu isotop hidrogen yang tidak mempunyai neutron (hidrogen-1), satu isotop yang mempunyai satu neutron (deuterium), dua neutron (tritium), dll. Hidrogen-1 ialah bentuk isotop hidrogen yang paling umum. Kadang-kadang ia disebut sebagai protium.[51] Semua isotop unsur yang bernomor atom lebih besar daripada 82 bersifat radioaktif.[52][53]
Dari sekitar 339 nuklida yang terbentuk secara alami di Bumi, 269 di antaranya belum pernah terpantau meluruh.[54] Pada unsur kimia, 80 dari unsur yang diketahui mempunyai satu atau lebih isotop stabil. Unsur 43, 63, dan semua unsur lebih tinggi dari 83 tidak mempunyai isotop stabil. Dua puluh tujuh unsur hanya mempunyai satu isotop stabil, manakala jumlah isotop stabil yang paling banyak terpantau pada unsur timah dengan 10 jenis isotop stabil.[55]
Massa
Karena lebih banyak didominasi massa atom berasal dari proton dan neutron, jumlah keseluruhan partikel ini dalam atom disebut sebagai nomor massa. Massa atom pada keadaan membisu sering diekspresikan memakai satuan massa atom (u) yang juga disebut dalton (Da). Satuan ini didefinisikan sebagai seperduabelas massa atom karbon-12 netral, yang kira-kira sebesar 1,66 × 10−27 kg.[56] Hidrogen-1 yang merupakan isotop teringan hidrogen mempunyai bobot atom 1,007825 u.[57] Atom mempunyai massa yang kira-kira sama dengan nomor massanya dikalikan satuan massa atom.[58] Atom stabil yang paling berat ialah timbal-208,[52] dengan massa sebesar 207,9766521 u.[59]
Para kimiawan biasanya memakai satuan mol untuk menyatakan jumlah atom. Satu mol didefinisikan sebagai jumlah atom yang terdapat pada 12 gram persis karbon-12. Jumlah ini ialah sekitar 6,022 × 1023, yang dikenal pula dengan nama tetapan Avogadro. Dengan demikian suatu unsur dengan massa atom 1 u akan mempunyai satu mol atom yang bermassa 0,001 kg. Sebagai contohnya, Karbon mempunyai massa atom 12 u, sehingga satu mol karbon atom mempunyai massa 0,012 kg.[56]
Ukuran
Atom tidak mempunyai batasan luar yang jelas, sehingga dimensi atom biasanya dideskripsikan sebagai jarak antara dua inti atom ketika dua atom bergabung bersama dalam ikatan kimia. Jari-jari ini bervariasi tergantung pada jenis atom, jenis ikatan yang terlibat, jumlah atom di sekitarnya, dan spin atom.[60] Pada tabel periodik unsur-unsur, jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya periode (atas ke bawah). Sebaliknya jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan menurunnya nomor golongan (kanan ke kiri).[61] Oleh lantaran itu, atom yang terkecil ialah helium dengan jari-jari 32 pm, manakala yang terbesar ialah sesium dengan jari-jari 225 pm.[62] Dimensi ini ribuan kali lebih kecil daripada gelombang cahaya (400–700 nm), sehingga atom tidak sanggup dilihat memakai mikroskop optik biasa. Namun, atom sanggup dipantau memakai mikroskop gaya atom.
Ukuran atom sangatlah kecil, sedemikian kecilnya lebar satu helai rambut sanggup menampung sekitar 1 juta atom karbon.[63] Satu tetes air pula mengandung sekitar 2 × 1021 atom oksigen.[64] Intan satu karat dengan massa 2 × 10-4 kg mengandung sekitar 1022 atom karbon.[catatan 2] Jika sebuah apel diperbesar hingga seukuran besarnya Bumi, maka atom dalam apel tersebut akan terlihat sebesar ukuran apel awal tersebut.[65]
Peluruhan radioaktif
Setiap unsur mempunyai satu atau lebih isotop berinti tak stabil yang akan mengalami peluruhan radioaktif, mengakibatkan inti melepaskan partikel ataupun radiasi elektromagnetik. Radioaktivitas sanggup terjadi ketika jari-jari inti sangat besar dibandingkan dengan jari-jari gaya besar lengan berkuasa (hanya bekerja pada jarak sekitar 1 fm).
Bentuk-bentuk peluruhan radioaktif yang paling umum adalah:
Peluruhan alfa, terjadi ketika suatu inti memancarkan partikel alfa (inti helium yang terdiri dari dua proton dan dua neutron). Hasil peluruhan ini ialah unsur gres dengan nomor atom yang lebih kecil.
Peluruhan beta, diatur oleh gaya lemah, dan dihasilkan oleh transformasi neutron menjadi proton, ataupun proton menjadi neutron. Transformasi neutron menjadi proton akan diikuti oleh emisi satu elektron dan satu antineutrino, manakala transformasi proton menjadi neutron diikuti oleh emisi satu positron dan satu neutrino. Emisi elektron ataupun emisi positron disebut sebagai partikel beta. Peluruhan beta sanggup meningkatkan maupun menurunkan nomor atom inti sebesar satu.
Peluruhan gama, dihasilkan oleh perubahan pada aras energi inti ke keadaan yang lebih rendah, mengakibatkan emisi radiasi elektromagnetik. Hal ini sanggup terjadi setelah emisi partikel alfa ataupun beta dari peluruhan radioaktif.
Jenis-jenis peluruhan radioaktif lainnya yang lebih jarang mencakup pelepasan neutron dan proton dari inti, emisi lebih dari satu partikel beta, ataupun peluruhan yang menimbulkan produksi elektron berkecepatan tinggi yang bukan sinar beta, dan produksi foton berenergi tinggi yang bukan sinar gama
Tiap-tiap isotop radioaktif mempunyai karakteristik periode waktu peluruhan (waktu paruh) yang merupakan lamanya waktu yang diharapkan oleh setengah jumlah sampel untuk meluruh habis. Proses peluruhan bersifat eksponensial, sehingga setelah dua waktu paruh, hanya akan tersisa 25% isotop.[66]
Momen magnetik
Setiap partikel elementer mempunyai sifat mekanika kuantum intrinsik yang dikenal dengan nama spin. Spin beranalogi dengan momentum sudut suatu objek yang berputar pada pusat massanya, walaupun secara kaku partikel tidaklah berperilaku ibarat ini. Spin diukur dalam satuan tetapan Planck tereduksi (ħ), dengan elektron, proton, dan neutron semuanya mempunyai spin ½ ħ, atau "spin-½". Dalam atom, elektron yang bergerak di sekitar inti atom selain mempunyai spin juga mempunyai momentum sudut orbital, manakala inti atom mempunyai momentum sudut pula oleh lantaran spin nuklirnya sendiri.
Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen magnetik) ditentukan oleh kombinasi banyak sekali macam momentum sudut ini. Namun, bantuan yang terbesar tetap berasal dari spin. Oleh lantaran elektron mematuhi asas pengecualian Pauli, yakni tiada dua elektron yang sanggup ditemukan pada keadaan kuantum yang sama, pasangan elektron yang terikat satu sama lainnya mempunyai spin yang berlawanan, dengan satu berspin naik, dan yang satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akan saling menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapa atom berjumlah elektron genap.
Pada atom berelektron ganjil ibarat besi, adanya keberadaan elektron yang tak berpasangan mengakibatkan atom tersebut bersifat feromagnetik. Orbital-orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun berjajaran, materi yang tersusun oleh atom ini sanggup menghasilkan medan makroskopis yang sanggup dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik mempunyai atom dengan momen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan magnet.
Inti atom juga sanggup mempunyai spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh lantaran kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), ialah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini mempunyai aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansi magnetik.
Aras-aras energi
Ketika suatu elektron terikat pada sebuah atom, ia mempunyai energi potensial yang berbanding terbalik terhadap jarak elektron terhadap inti. Hal ini diukur oleh besarnya energi yang diharapkan untuk melepaskan elektron dari atom dan biasanya diekspresikan dengan satuan elektronvolt (eV). Dalam model mekanika kuantum, elektron-elektron yang terikat hanya sanggup menduduki satu set keadaan yang berpusat pada inti, dan tiap-tiap keadaan berkorespondensi terhadap aras energi tertentu. Keadaan energi terendah suatu elektron yang terikat disebut sebagai keadaan dasar, manakala keadaan energi yang lebih tinggi disebut sebagai keadaan tereksitasi.[74]
Agar suatu elektron sanggup meloncat dari satu keadaan ke keadaan lainnya, ia haruslah menyerap ataupun memancarkan foton pada energi yang sesuai dengan perbedaan energi potensial antar dua aras tersebut. Energi foton yang dipancarkan ialah sebanding dengan frekuensinya.[75] Tiap-tiap unsur mempunyai spektrum karakteristiknya masing-masing. Hal ini bergantung pada muatan inti, subkelopak yang terisi dengan elektron, interaksi elektromagnetik antar elektron, dan faktor-faktor lainnya.
Ketika suatu spektrum energi yang berkelanjutan dipancarkan melalui suatu gas ataupun plasma, beberapa foton diserap oleh atom, mengakibatkan elektron berpindah aras energi. Elektron yang tereksitasi akan secara impulsif memancarkan energi ini sebagai foton dan jatuh kembali ke aras energi yang lebih rendah. Oleh lantaran itu, atom berperilaku ibarat materi penyaring yang akan membentuk sederetan pita absorpsi. Pengukuran spektroskopi terhadap kekuatan dan lebar pita spektrum mengizinkan penentuan komposisi dan sifat-sifat fisika suatu zat.[77]
Pemantauan cermat pada garis-garis spektrum memperlihatkan bahwa beberapa memperlihatkan adanya pemisahan halus. Hal ini terjadi lantaran kopling spin-orbit yang merupakan interaksi antara spin dengan gerak elektron terluar.[78] Ketika suatu atom berada dalam medan magnet eksternal, garis-garis spektrum terpisah menjadi tiga atau lebih komponen. Hal ini disebut sebagai imbas Zeeman. Efek Zeeman disebabkan oleh interaksi medan magnet dengan momen magnetik atom dan elektronnya. Beberapa atom sanggup mempunyai banyak konfigurasi elektron dengan aras energi yang sama, sehingga akan tampak sebagai satu garis spektrum. Interaksi medan magnet dengan atom akan menggeser konfigurasi-konfigurasi elektron menuju aras energi yang sedikit berbeda, mengakibatkan garis spektrum berganda.[79] Keberadaan medan listrik eksternal sanggup mengakibatkan pemisahan dan pergeseran garis spektrum dengan mengubah aras energi elektron. Fenomena ini disebut sebagai imbas Stark.[80]
Valensi dan sikap ikatan
!Artikel utama untuk kepingan ini adalah: Valensi (kimia) dan Ikatan kimia
Kelopak atau kulit elektron terluar suatu atom dalam keadaan yang tak terkombinasi disebut sebagai kelopak valensi dan elektron dalam kelopak tersebut disebut elektron valensi. Jumlah elektron valensi memilih sikap ikatan atom tersebut dengan atom lainnya. Atom cenderung bereaksi dengan satu sama lainnya melalui pengisian (ataupun pengosongan) elektron valensi terluar atom.[81] Ikatan kimia sanggup dilihat sebagai transfer elektron dari satu atom ke atom lainnya, ibarat yang terpantau pada natrium klorida dan garam-garam ionik lainnya. Namun, banyak pula unsur yang memperlihatkan sikap valensi berganda, atau kecenderungan membagi elektron dengan jumlah yang berbeda pada senyawa yang berbeda. Sehingga, ikatan kimia antara unsur-unsur ini cenderung berupa pembagian elektron daripada transfer elektron. Contohnya mencakup unsur karbon dalam senyawa organik.[82]
Unsur-unsur kimia sering ditampilkan dalam tabel periodik yang menampilkan sifat-sifat kimia suatu unsur yang berpola. Unsur-unsur dengan jumlah elektron valensi yang sama dikelompokkan secara vertikel (disebut golongan). Unsur-unsur pada kepingan terkanan tabel mempunyai kelopak terluarnya terisi penuh, mengakibatkan unsur-unsur tersebut cenderung bersifat inert (gas mulia).
Keadaan
Sejumlah atom ditemukan dalam keadaan materi yang berbeda-beda tergantung pada kondisi fisik benda, yakni suhu dan tekanan. Dengan mengubah kondisi tersebut, materi sanggup berubah-ubah menjadi bentuk padat, cair, gas, dan plasma. Dalam tiap-tiap keadaan tersebut pula materi sanggup mempunyai banyak sekali fase. Sebagai contohnya pada karbon padat, ia sanggup berupa grafit maupun intan.
Pada suhu mendekati nol mutlak, atom sanggup membentuk kondensat Bose-Einstein, di mana efek-efek mekanika kuantum yang biasanya hanya terpantau pada skala atom terpantau secara makroskopis.Kumpulan atom-atom yang dilewat-dinginkan ini berperilaku ibarat satu atom super.
Identifikasi
Mikroskop penerowongan payaran (scanning tunneling microscope) ialah suatu mikroskop yang dipakai untuk melihat permukaan suatu benda pada tingkat atom. Alat ini memakai fenomena penerowongan kuantum yang mengizinkan partikel-partikel menembus sawar yang biasanya tidak sanggup dilewati.
Sebuah atom sanggup diionisasi dengan melepaskan satu elektronnya. Muatan yang ada mengakibatkan trayektori atom melengkung ketika ia melalui sebuah medan magnet. Jari-jari trayektori ion tersebut ditentukan oleh massa atom. Spektrometer massa memakai prinsip ini untuk menghitung rasio massa terhadap muatan ion. Apabila sampel tersebut mengandung sejumlah isotop, spektrometer massa sanggup memilih proporsi tiap-tiap isotop dengan mengukur intensitas berkas ion yang berbeda. Teknik untuk menguapkan atom mencakup plasma gandeng induktif-spektroskopi emisi atom (inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy, ICP-AES) dan plasma gandeng induktif-spektrometri massa (inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS), keduanya memakai plasma untuk menguapkan sampel analisis.
Metode lainnya yang lebih selektif ialah spektroskopi pelepasan energi elektron (electron energy loss spectroscopy), yang mengukur pelepasan energi berkas elektron dalam suatu mikroskop elektron transmisi ketika ia berinteraksi dengan sampel. Tomografi kuar atom mempunyai resolusi sub-nanometer dalam 3-D dan sanggup secara kimiawi mengidentifikasi atom-atom individu memakai spektrometri massa waktu lintas.
Spektrum keadaan tereksitasi sanggup dipakai untuk menganalisis komposisi atom bintang yang jauh. Panjang gelombang cahaya tertentu yang dipancarkan oleh bintang sanggup dipisahkan dan dicocokkan dengan transisi terkuantisasi atom gas bebas. Warna bintang kemudian sanggup direplikasi memakai lampu lucutan gas yang mengandung unsur yang sama. Helium pada Matahari ditemukan dengan memakai cara ini 23 tahun sebelum ia ditemukan di Bumi
Asal permintaan dan kondisi sekarang
Atom menduduki sekitar 4% densitas energi total yang ada dalam alam semesta terpantau, dengan densitas rata-rata sekitar 0,25 atom/m3.[94] Dalam galaksi Bima Sakti, atom mempunyai konsentrasi yang lebih tinggi, dengan densitas materi dalam medium antarbintang berkisar antara 105 hingga dengan 109 atom/m3.[95] Matahari sendiri dipercayai berada dalam Gelembung Lokal, yaitu suatu tempat yang mengandung banyak gas ion, sehingga densitas di sekelilingnya ialah sekitar 103 atom/m3.[96] Bintang membentuk awan-awan padat dalam medium antarbintang, dan proses evolusioner bintang akan mengakibatkan peningkatan kandungan unsur yang lebih berat daripada hidrogen dan helium dalam medium antarbintang. Sampai dengan 95% atom Bima Sakti terkonsentrasi dalam bintang-bintang, dan massa total atom ini membentuk sekitar 10% massa galaksi.[97] Massa sisanya ialah materi gelap yang tidak diketahui dengan jelas.[98]Nukleosintesis
Proton dan elektron yang stabil muncul satu detik setelah insiden Dentuman Besar. Dalam masa waktu tiga menit sesudahnya, nukleosintesis Dentuman Besar kebanyakan menghasilkan helium, litium, dan deuterium, dan mungkin juga beberapa berilium dan boron.[99][100][101] Atom pertama (dengan elektron yang terikat dengannya) secara teoretis tercipta 380.000 tahun setelah Dentuman Besar, yaitu ketika alam semesta yang mengembang cukup cuek untuk mengizinkan elektron-elektron terikat pada inti atom.[102] Sejak ketika itulah, inti atom mulai bergabung dalam bintang-bintang melalui proses fusi nuklir dan menghasilkan unsur-unsur yang lebih berat hingga dengan besi.[103]
Isotop ibarat litium-6 dihasilkan di ruang angkasa melalui spalasi sinar kosmis.[104] Hal ini terjadi ketika sebuah proton berenergi tinggi menumbuk inti atom, mengakibatkan sejumlah besar nukleon berhamburan. Unsur yang lebih berat daripada besi dihasilkan di supernova melalui proses r dan di bintang-bintang AGB melalui proses s. Kedua-duanya melibatkan penangkapan neutron oleh inti atom.[105] Unsur-unsur ibarat timbal kebanyakan dibuat melalui peluruhan radioaktif unsur-unsur lain yang lebih berat.[106]
Bumi
Kebanyakan atom yang menyusun Bumi dan termasuk pula seluruh makhluk hidupnya pernah berada dalam bentuk yang kini di nebula yang runtuh dari awan molekul dan membentuk Tata Surya. Sisanya merupakan akhir dari peluruhan radioaktif dan proporsinya sanggup dipakai untuk memilih usia Bumi melalui penanggalan radiometrik.[107][108] Kebanyakan helium dalam kerak Bumi merupakan produk peluruhan alfa.[109]
Terdapat sekelumit atom di Bumi yang pada awal pembentukannya tidak ada dan juga bukan merupakan akhir dari peluruhan radioaktif. Karbon-14 secara berkesinambungan dihasilkan oleh sinar kosmik di atmosfer.[110] Beberapa atom di Bumi secara buatan dihasilkan oleh reaktor ataupun senjata nuklir.[111][112] Dari semua Unsur-unsur transuranium yang bernomor atom lebih besar daripada 92, hanya plutonium dan neptunium sajalah yang terdapat di Bumi secara alami.[113][114] Unsur-unsur transuranium mempunyai waktu paruh radioaktif yang lebih pendek daripada umur Bumi[115], sehingga unsur-unsur ini telah usang meluruh. Pengecualian terdapat pada plutonium-244 yang kemungkinan tersimpan dalam debu kosmik.[107] Kandungan alami plutonium dan neptunium dihasilkan dari penangkapan neutron dalam bijih uranium.[116]
Bumi mengandung sekitar 1,33 × 1050 atom.[117] Pada atmosfer planet, terdapat sejumlah kecil atom gas mulia ibarat argon dan neon. Sisa 99% atom pada atmosfer bumi terikat dalam bentuk molekul, contohnya karbon dioksida, oksigen diatomik, dan nitrogen diatomik. Pada permukaan Bumi, atom-atom saling berikatan membentuk banyak sekali macam senyawa, mencakup air, garam, silikat, dan oksida. Atom juga sanggup bergabung membentuk bahan-bahan yang tidak terdiri dari molekul, contohnya kristal dan logam padat ataupun cair.
Bentuk teoretis dan bentuk langka
Manakala isotop dengan nomor atom yang lebih tinggi daripada timbal (62) bersifat radioaktif, terdapat suatu "pulau stabilitas" yang diajukan untuk beberapa unsur dengan nomor atom di atas 103. Unsur-unsur super berat ini kemungkinan mempunyai inti yang secara relatif stabil terhadap peluruhan radioaktif. Atom super berat yang stabil ini kemungkinan besar ialah unbiheksium, dengan 126 proton 184 neutron.
Tiap-tiap partikel materi mempunyai partikel antimaterinya masing-masing dengan muatan listrik yang berlawanan. Sehingga, positron ialah antielektron yang bermuatan positif, dan antiproton ialah proton yang bermuatan negatif, Ketika materi dan antimateri bertemu, keduanya akan saling memusnahkan. Terdapat ketidakseimbangan antara jumlah partikel materi dan antimateri. Ketidakseimbangan ini masih belum dipahami secara menyeluruh, walaupun terdapat teori bariogenesis yang memperlihatkan klarifikasi yang memungkinkan. Antimateri tidak pernah ditemukan secara alami.Namun, pada tahun 1996, antihidrogen berhasil disintesis di laboratorium CERN di Jenewa.
Terdapat pula atom-atom langka lainnya yang dibuat dengan menggantikan satu proton, neutron, ataupun elektron dengan partikel lain yang bermuatan sama. Sebagai contoh, elektron sanggup digantikan dengan muon yang lebih berat, membentuk atom muon. Jenis atom ini sanggup dipakai untuk menguji prediksi fisika.
