Nguyên tử là khái niệm cơ bản trong hóa học và vật lý, là đơn vị cấu tạo chất. Nó bao gồm proton, neutron và electron, với proton mang điện tích dương, neutron không có điện tích và electron mang điện tích âm. Số proton trong một nguyên tử được gọi là số nguyên tử hoặc số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó. Khái niệm nguyên tử có tầm quan trọng lớn. Nó giúp hiểu sự tương tác và phản ứng hóa học giữa các chất. Các nguyên tử khác nhau có tính chất và cấu trúc khác nhau, dẫn đến đa dạng trong chất và phản ứng hóa học. Ngoài ra, nguyên tử cũng là khối lượng cơ bản trong các quá trình vật lý và hóa học như phân hủy hạt nhân và phản ứng hạt nhân. Việc hiểu về nguyên tử là quan trọng và cần thiết để áp dụng vào các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau.

Nguyên tử là đơn vị cấu tạo của vật chất. Nó được tạo thành từ proton, neutron và electron. Proton và neutron tạo thành hạt nhân của nguyên tử, trong khi electron quay xung quanh hạt nhân. Số proton trong hạt nhân được gọi là số nguyên tử và xác định nguyên tử của một nguyên tố. Số neutron trong hạt nhân có thể khác nhau giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố, được gọi là các isotop. Các electron có thể nằm trong các lớp vỏ xung quanh hạt nhân và có vai trò quan trọng trong tính chất hóa học của nguyên tử.

Một nguyên tử bao gồm proton, neutron và electron. Proton và neutron có trọng lượng gần như bằng nhau và nằm trong hạt nhân của nguyên tử. Electron có khối lượng rất nhỏ và xoay quanh hạt nhân. Số proton trong hạt nhân được gọi là số nguyên tử, thể hiện trên bảng tuần hoàn. Số electron trong nguyên tử bằng số proton, tạo nên tính điện tích của nguyên tử. Số neutron có thể khác nhau giữa các nguyên tử cùng một nguyên tố, tạo nên các đồng vị khác nhau. Cấu trúc của một nguyên tử là cơ sở để hiểu và giải thích tính chất hóa học và vật lý của nguyên tố đó.

Nguyên tử có ba tính chất cơ bản là khối lượng, kích thước và tính chất hóa học. Khối lượng được xác định bởi tổng số proton và neutron trong hạt nhân, và được đo bằng đơn vị khối nguyên tử (u). Kích thước được xác định bởi bán kính nguyên tử, được đo bằng đơn vị "angstrom" (Å) hoặc "picometer" (pm). Tính chất hóa học phụ thuộc vào cấu trúc của nguyên tử, bao gồm số electron, vị trí và cách tương tác với các nguyên tử khác.

Bảng tuần hoàn sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự tăng dần của số nguyên tử. Các nguyên tử được phân loại dựa trên cấu trúc electron của chúng. Mỗi nguyên tố có đặc điểm riêng về số nguyên tử, khối lượng nguyên tử và cấu trúc điện tử. Các nguyên tố từ 1 đến 92 được gọi là nguyên tố tự nhiên, trong đó có các nguyên tố phổ biến như Hydro, Carbon, Nitơ và Oxy. Cấu trúc điện tử được biểu diễn bằng các electron ở các lớp năng lượng khác nhau từ 1 đến 7. Số electron trong lớp ngoài cùng quyết định tính chất hoá học của nguyên tố. Ví dụ, Hydro có số nguyên tử là 1, khối lượng nguyên tử là 1,0079 và cấu trúc điện tử là 1s1. Oxy có số nguyên tử là 8, khối lượng nguyên tử là 15,9994 và cấu trúc điện tử là 1s2 2s2 2p4. Các nguyên tố được phân chia thành nhóm và chu kỳ dựa trên tính chất hóa học. Nhóm bao gồm các nguyên tố có tính chất tương tự, trong khi chu kỳ biểu thị sự lặp lại của cấu trúc điện tử trên bảng tuần hoàn. Kiến thức này giúp hiểu rõ về các loại nguyên tử và tính chất của chúng trong hóa học và vật lý.

Kích thước nguyên tử được sử dụng để xác định vị trí và tương tác giữa các nguyên tử trong phản ứng hóa học và quá trình vật lý. Bán kính nguyên tử đo bằng pikometer (pm), tương đương 10^-12 mét. Kích thước các nguyên tử khác nhau có sự khác biệt đáng kể, ví dụ như bán kính nguyên tử hidro là 53 pm, xenon là 140 pm. Kích thước nguyên tử còn liên quan đến cấu trúc tinh thể, nguyên tử lớn hơn thường tạo tinh thể cube hoặc body-centered cube, nguyên tử nhỏ hơn tạo tinh thể close-packed. Kích thước nguyên tử cũng quan trọng trong việc xác định khả năng tương tác và phân bố của phân tử và ion trong phản ứng hóa học. Phân tử có kích thước tương đồng sẽ tương tác hiệu quả hơn, phân tử có kích thước khác nhau có thể gây tách lớp, kết tủa hoặc trục trặc trong quá trình phản ứng. Việc đo và hiểu kích thước nguyên tử là rất quan trọng trong nghiên cứu hóa học và vật lý.

Khối lượng của các nguyên tử là lượng vật chất tạo nên nguyên tử đó và được đo bằng đơn vị đồng phân khối lượng (amu). Đơn vị đồng phân khối lượng là 1/12 khối lượng của nguyên tử cacbon-12. Các nguyên tử có khối lượng từ 1 đến 238 đơn vị đồng phân khối lượng được biểu diễn trên bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Khối lượng của nguyên tử có thể được đo bằng phương pháp trọng lượng hoặc khối lượng riêng. Phương pháp trọng lượng đo khối lượng của một số lượng lớn các nguyên tử cùng loại, trong khi phương pháp khối lượng riêng đo khối lượng của một nguyên tử đơn lẻ. Việc đo khối lượng các nguyên tử rất quan trọng trong nghiên cứu tính chất và tính toán các phản ứng hóa học.

Các nguyên tử khác nhau có tính chất vật lý khác nhau như nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, mật độ và trạng thái vật lý. Ví dụ, nước có nhiệt độ nóng chảy 0 độ C và nhiệt độ sôi 100 độ C, trong khi sắt có nhiệt độ nóng chảy 1535 độ C. Mật độ của nước là 1 gram/cm3 và của vàng là 19.3 gram/cm3. Các nguyên tử có thể tồn tại dưới dạng rắn, lỏng hoặc khí tùy thuộc vào điều kiện môi trường. Tính chất này có thể được sử dụng để phân biệt giữa các nguyên tử và áp dụng trong khoa học và công nghệ.

Các nguyên tử khác nhau có tính chất hóa học khác nhau gồm: tính chất oxy hóa, tính chất khử và tính chất acid và bazơ. Tính chất oxy hóa là khả năng mất đi electron, ví dụ kim loại như sắt dễ bị rỉ sét. Tính chất khử là khả năng giành lại electron, ví dụ điện cực âm trong pin thu hút electron. Tính chất acid và bazơ là khả năng tạo ra ion H+ hoặc OH- trong dung dịch nước, ví dụ axit sunfuric tạo ra ion H+, natri hydroxit tạo ra ion OH-. Các tính chất này quyết định về sự tương tác giữa các nguyên tử trong phản ứng hóa học.

Các loại liên kết hóa học là cách các nguyên tử kết hợp để tạo phân tử. Có ba loại liên kết chính là liên kết ion, liên kết cộng hóa trị và liên kết kim loại. Liên kết ion xảy ra khi hai nguyên tử trao đổi electron, một nguyên tử mất electron và trở thành ion dương, trong khi nguyên tử kia nhận electron và trở thành ion âm. Liên kết ion thường xảy ra giữa kim loại và phi kim. Liên kết cộng hóa trị xảy ra khi hai nguyên tử chia sẻ electron để đạt cấu trúc electron của khí hiếm. Liên kết cộng hóa trị thường xảy ra giữa các phi kim. Liên kết kim loại xảy ra khi nhiều nguyên tử kim loại chia sẻ electron để tạo thành mạng lưới 3D. Liên kết kim loại thường xảy ra giữa các kim loại. Hiểu các loại liên kết này giúp chúng ta dự đoán tính chất và ứng dụng của các phân tử và chất.

Các phân tử đơn giản như nước, oxy và nitơ được tạo thành từ các nguyên tử kết hợp với nhau qua các loại liên kết khác nhau. Phân tử nước gồm hai nguyên tử hidro và một nguyên tử oxy kết hợp qua liên kết cộng hóa trị, tạo ra một phân tử hình cầu với điện tích âm tập trung ở oxy và điện tích dương tập trung ở hidro. Phân tử oxy gồm hai nguyên tử oxy kết hợp qua liên kết đôi, tạo ra một phân tử hình chữ V với điện tích âm tập trung ở các nguyên tử oxy. Phân tử nitơ gồm hai nguyên tử nitơ kết hợp qua liên kết ba, tạo ra một phân tử hình chữ X với điện tích âm tập trung ở giữa hai nguyên tử nitơ. Các phân tử đơn giản này có vai trò quan trọng trong sinh học và hoá học, ví dụ như nước giúp duy trì sự sống trên Trái Đất và oxy, nitơ là các thành phần chính của khí quyển, tham gia vào các quá trình hóa học và sinh học.

Các phân tử phức tạp được tạo thành từ nhiều nguyên tử khác nhau và có tính chất và chức năng đa dạng. Phân tử đường là một loại phức tạp gồm carbon, hydro và oxy, được sử dụng làm nguồn năng lượng và sản phẩm thực phẩm. Phân tử protein là một loại phức tạp gồm các amino axit, có vai trò quan trọng trong cấu trúc, chuyển hóa và vận chuyển. Phân tử ADN là một loại phức tạp gồm nucleotid, là nguyên liệu cho việc tạo ra protein và lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền. Tính chất và chức năng của các phân tử phức tạp phụ thuộc vào cấu trúc và sự kết hợp của nguyên tử. Sự thay đổi này sẽ làm thay đổi tính chất và chức năng của phân tử.

Sự tương tác giữa các phân tử là quá trình quan trọng trong hóa học. Khi phân tử tiếp xúc, chúng có thể tương tác để tạo thành các chất mới. Tương tác có thể là hút hoặc đẩy. Tương tác hút là quá trình khi các phân tử thu hút nhau do điện tích khác nhau. Điện tích dương của một phân tử có thể thu hút điện tích âm của một phân tử khác và ngược lại. Tương tác hút này tạo ra các phân tử liên kết để tạo thành các chất mới. Ví dụ, tương tác giữa phân tử nước và phân tử muối trong dung dịch tạo ra muối liên kết. Tương tác đẩy là quá trình khi các phân tử có điện tích dương hoặc âm, do đó chúng đẩy lẫn nhau. Tương tác đẩy này ngăn chặn các phân tử liên kết với nhau. Ví dụ, các phân tử cùng điện tích dương sẽ đẩy lẫn nhau và không thể liên kết với nhau. Trong tự nhiên, phân tử tương tác để tạo thành các chất mới, bao gồm hợp chất hữu cơ và vô cơ. Hiểu về sự tương tác giữa các phân tử quan trọng để hiểu cách các chất được tạo thành và tương tác với nhau trong tự nhiên.