Pochodzenie i stan obecny atomu

Atomy stanowią około 4% całkowitej masy-energii obserwowanego Wszechświata, występując ze średnią gęstością około 0,25 atomu/m³. Wewnątrz galaktyk, takich jak Droga Mleczna, atomy występują o wiele gęściej, od 10⁵ do 10⁹ atomów/m³ w ośrodku międzygwiazdowym^[.

Słońce znajduje się wewnątrz Bąbla Lokalnego – pustki w ośrodku międzygwiazdowym, stworzonej przez supernową, która wybuchła 2–4 miliony lat temu. Wewnątrz tego bąbla gęstość wynosi około 10³ atomów/m³. Gęstsze obszary w ośrodku międzygwiazdowym mogą grawitacyjnie zapadać się, tworząc gwiazdy. Procesy zachodzące w gwiazdach z upływem czasu zwiększają ilość pierwiastków cięższych od wodoru i helu. Około 95% atomów w Drodze Mlecznej znajduje się wewnątrz gwiazd, a ich całkowita masa odpowiada za około 10% masy galaktyki (za resztę odpowiada ciemna materia).

Nukleosynteza

Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu protony i neutrony uformowały się około jednej sekundy po powstaniu Wszechświata. W ciągu kolejnych trzech minut w wyniku pierwotnej nukleosyntezy powstała większość helu, litu i deuteru we Wszechświecie oraz prawdopodobnie część berylu i boru.

Pierwsze atomy (ze związanymi elektronami) pojawiły się około 380 tysięcy lat później, w epoce rekombinacji, gdy energia promieniowania wypełniającego przestrzeń zmalała poniżej energii jonizacji atomów. Cięższe jądra atomowe (do żelaza) zaczęły powstawać w wyniku fuzji jądrowej we wnętrzu gwiazd kilkaset milionów lat później. Niektóre izotopy, takie jak lit-6, powstawały później w wyniku spalacji wywoływanej przez promieniowanie kosmiczne. Pierwiastki cięższe od żelaza powstawały w wyniku eksplozji supernowych poprzez proces r oraz we wnętrzu gwiazd AGB poprzez proces s. Oba te procesy polegają na wychwytywaniu neutronów przez jądra atomowe. Pierwiastki takie jak ołów powstały głównie w wyniku radioaktywnego rozpadu cięższych pierwiastków.

Ziemia

Większość atomów, z których składa się Ziemia i jej mieszkańcy, nie zmieniła swych jąder od czasu ich powstania, czyli wcześniej niż mgławica, z której powstał Układ Słoneczny, zaczęła się zapadać. Niewielka liczba nowych atomów powstała w wyniku rozpadów radioaktywnych, a stosunek ich zawartości obecnie pozwala określić wiek Ziemi na podstawie datowania izotopowego. Większość helu w skorupie Ziemi (około 99% znajdowanego w złożach gazów, jak wynika z niskiej zawartości ³He) powstała jako cząstki alfa w rozpadzie alfa.

Istnieje kilka pierwiastków śladowych, które nie były obecne na Ziemi na jej początku, ani nie są produktami rozpadów cięższych pierwiastków. Przykładowo ¹⁴C powstaje w sposób ciągły w górnych warstwach atmosfery w wyniku zderzeń niskoenergetycznych neutronów z jądrami azotu. Pewna liczba nowych atomów została wytworzona sztucznie w reaktorach i wybuchach jądrowych. Wśród transuranowców (pierwiastków o liczbie atomowej powyżej 92) tylko pluton i neptun występują naturalnie na Ziemi. Mają one czasy połowicznego rozpadu wielokrotnie mniejsze od czasu istnienia Ziemi, dlatego nieokreślone ich ilości mogły się w przeszłości rozpaść na lżejsze pierwiastki. Naturalnie występujące jądra plutonu i neptunu powstały w wyniku wychwytu neutronu przez jądra uranu^[155].

Ziemia zbudowana jest z około 1,33×10⁵⁰ atomów głównie z atomów żelaza (35% masy), tlenu (30%), krzemu (15%) i magnezu (12%). Atmosfera ziemska składa się głównie z azotu (N₂), tlenu (O₂), pary wodnej (H₂O), argonu (Ar) i dwutlenku węgla (CO₂). Na powierzchni Ziemi atomy tworzą wiele cząsteczek chemicznych, począwszy od prostych, jak woda, sole i tlenki, do bardzo złożonych, takich jak białka. Atomy tworzą też substancje nie zbudowane z sumy oddzielnych cząsteczek chemicznych, lecz tworzące struktury ciągłe, w których nie da się wydzielić poszczególnych cząsteczek – metale, niektóre kryształy nieorganiczne, szkła i wiele innych.

Rzadkie i teoretyczne atomy

Choć wszystkie nuklidy o liczbie atomowej większej niż 82 (ołów) są radioaktywne, teoretyczne modele przewidują istnienie „wyspy stabilności” – zbioru pierwiastków o liczbach atomowych powyżej 103, które miałyby stosunkowo stabilne izotopy. Najbardziej stabilnym pierwiastkiem w tym zbiorze miałby być niezsyntetyzowany dotychczas unbihexium, o 126 protonach i 184 neutronach w jądrze.