Les atomes peuvent être identifiés grâce à la lumière qu’ils émettent. Dans un tube à décharge ou lors d’un test à la flamme, la couleur observée ne provient pas d’un revêtement superficiel ; elle résulte de la libération, par les électrons de l’atome, de paquets d’énergie spécifiques sous forme de photons. Comme chaque élément possède son propre ensemble de niveaux d’énergie électroniques autorisés, il produit une série caractéristique de raies lumineuses plutôt qu’un spectre continu semblable à un arc-en-ciel.
Pour associer une observation à une identité, comparez les positions des raies lumineuses de différents éléments et considérez ce motif comme une empreinte digitale, plutôt que comme une simple couleur.
Une raie apparaît lorsqu’un électron passe d’un état d’énergie supérieure à un état d’énergie inférieure et que l’atome émet un photon d’énergie . Des écarts plus importants entre les niveaux d’énergie autorisés produisent une lumière de fréquence plus élevée, tendant vers le bleu. Des écarts plus faibles produisent une lumière de fréquence plus basse, tendant vers le rouge. Le fait que seules certaines fréquences apparaissent démontre que les énergies des électrons dans les atomes sont quantifiées plutôt que continues.
Les atomes étant constitués en grande partie de vide, le mouvement des électrons se déroule loin du noyau par rapport à la taille de ce dernier. Le noyau concentre la quasi-totalité de la masse car il contient les protons et les neutrons, tandis que les électrons ne contribuent que très peu à la masse, mais régissent les liaisons et la réactivité chimique grâce à leur charge et à leur répartition spatiale.
Le numéro atomique correspond au nombre de protons dans le noyau et détermine l’identité de l’élément. Le nombre de masse représente le nombre total de nucléons ; on a donc . Un isotope est un atome du même élément possédant un nombre de neutrons différent ; ainsi, les isotopes partagent la même valeur de mais ont des valeurs de différentes. Un ion est un atome portant une charge nette résultant du gain ou de la perte d’électrons ; on a donc (en unités de charge élémentaire).
Utilisez ces relations pour passer des symboles au décompte des particules (et inversement). Pour (,^{23}{11}!Na), on a , , et pour un atome neutre, . Pour (,^{35}{17}!Cl^{-}), on a , , et la charge de implique que . Entraînez-vous à effectuer ces conversions dans les deux sens et vérifiez systématiquement que est égal à et que la charge correspond à .