miniatura|Representació del núvol electrònic d'un àtom d'heli. La intensitat de l'ombrejat representa la major o menor densitat electrònica.El radi atòmic d'un element químic és una mesura de la mida del seu àtom, normalment la distància mitjana o típica des del centre del nucli fins a l'electró aïllat més extern. Com que el límit no és una entitat física ben definida, hi ha diverses definicions no equivalents de radi atòmic. Cinc definicions molt utilitzades de radi atòmic són el radi covalent, el radi de Van der Waals, el radi nuclear, el radi iònic i el radi metàl·lic. Normalment, a causa de la dificultat d'aïllar àtoms per mesurar-ne els radis per separat, el radi atòmic es mesura en un estat químicament enllaçat; tanmateix, els càlculs teòrics són més senzills quan es consideren els àtoms aïllats. Les dependències de l'entorn, la sonda i l'estat condueixen a una multiplicitat de definicions.
Depenent de la definició, el terme es pot aplicar a àtoms en matèria condensada, enllaçats covalentment en molècules, o en estats ionitzats o excitats, i el seu valor es pot obtenir mitjançant mesures experimentals o calcular-se a partir de models teòrics. El valor del radi pot dependre de l'estat i el context de l'àtom.
Els electrons no tenen òrbites definides ni rangs ben definits. Més aviat, les seves posicions s'han de descriure com a distribucions de probabilitat que disminueixen gradualment a mesura que s'allunyen del nucli, sense un tall pronunciat; aquestes es coneixen com a orbitals atòmics o núvols d'electrons. A més, en la matèria condensada i en les molècules, els núvols d'electrons dels àtoms solen superposar-se fins a cert punt, i alguns dels electrons poden vagar per una gran regió que abasta dos o més àtoms.
Segons la majoria de definicions, els radis dels àtoms neutres aïllats oscil·len entre 30 i 300 pm (bilionèsimes de metre). Per tant, el radi d'un àtom és més de 10.000 vegades el radi del seu nucli (1–10 fm), i menys d'1/1000 de la longitud d'ona de la llum (400–700 nm).
180px|miniatura | Forma aproximada d'una molècula d'etanol, CH3CH2OH. Cada àtom està modelat per una esfera amb el radi de Van der Waals de l'element.
Per a molts propòsits, els àtoms es poden modelar com a esferes. Això només és una aproximació rudimentària, però pot proporcionar explicacions i prediccions quantitatives per a molts fenòmens, com ara la densitat de líquids i sòlids, la difusió de fluids a través de tamisos moleculars, la disposició d'àtoms i ions en cristalls, i la mida i forma de les molècules.
Història El primer a estimar el radi d'un àtom va ser Johann Chrysostom Magnenus l'any 1646. Era a missa i va notar l'olor d'encens que impregnava l'església. Sabia la mida de l'encens i va estimar la mida de l'església. Va suposar que podia detectar l'encens si en tenia un àtom a cada fossa nasal. També va suposar que l'encens es distribuïa de manera homogènia per tota l'església. Amb aquestes suposicions va calcular que la mida d'un àtom era l'equivalent d'uns 10–24 m3. Prenent l'arrel cúbica, això dóna una estimació del radi atòmic d'uns 10–8 m. És un valor una mica més gran que les estimacions actuals, però tenint en compte les hipòtesis fetes en el càlcul és una mesura molt acurada. Aquests càlculs es van publicar a la seva obra Democritus reviviscens sive de atomis.
El concepte de radi atòmic va ser precedit el pel concepte de volum atòmic, una mesura relativa de quant espai ocuparia de mitjana un àtom en un determinat material sòlid o líquid. A finals de segle, aquest terme també s'utilitzava en un sentit absolut, com a volum molar dividit per la constant d'Avogadro. Aquest volum és diferent per a diferents formes cristal·lines fins i tot del mateix compost, però els físics el van utilitzar per a estimacions aproximades d'ordre de magnitud de la mida atòmica, obtenint 10−8 a 10−7 cm per al coure.
Les primeres estimacions de la mida atòmica van ser fetes per òptics a la dècada de 1830, particularment Cauchy, que van desenvolupar models de dispersió de la llum assumint una xarxa de «molècules» connectades. L'any 1857 Clausius va desenvolupar un model cinètic de gas que incloïa l'equació del recorregut lliure mitjà. A la dècada de 1870 es va utilitzar per estimar la mida de les molècules de gas, així com una comparació abans esmentada amb la longitud d'ona de la llum i una estimació del gruix de la pel·lícula d'una bombolla de sabó en què la seva força contràctil disminueix ràpidament. El 1900, diverses estimacions del diàmetre de l'àtom de mercuri tenien una mitjana d'uns 275 ± 20 pm (les estimacions modernes donen 300 ± 10 pm, vegeu més avall).
El 1920, poc després que fos possible determinar les mides dels àtoms mitjançant la cristal·lografia de raigs X, es va suggerir que tots els àtoms del mateix element tenien els mateixos radis. No obstant això, l'any 1923, quan es disposava de més dades sobre cristalls, es va trobar que l'aproximació d'un àtom com a esfera no és necessàriament vàlida quan es compara el mateix àtom en diferents estructures cristal·lines.
Definicions miniatura|Radi covalent i radi de van der Waals . Les definicions més utilitzades de radi atòmic són: el radi de Van der Waals, el radi nuclear, el radi iònic el radi covalent, el radi metàl·lic i el radi de Bohr.
Radi de Van der Waals El radi de Van der Waals és la meitat de la distància mínima entre els nuclis de dos àtoms de l'element que no estan units per interaccions covalents o metàl·liques. Es pot definir fins i tot per a elements com ara metalls, en què les forces de Van der Waals estan dominades per altres interaccions. Com que les interaccions de Van der Waals sorgeixen a través de fluctuacions quàntiques de la polarització atòmica, la polarització (que normalment es pot mesurar o calcular més fàcilment) es pot utilitzar per definir indirectament el radi de Van der Waals.
Radi iònic El radi iònic és el radi nominal dels ions d'un element en un estat de ionització específic, deduït de l'espaiat dels nuclis atòmics en sals cristal·lines que inclouen aquest ió. En principi, l'espai entre dos ions adjacents de càrrega oposada (la longitud de l'enllaç iònic entre ells) hauria de ser igual a la suma dels seus radis iònics.
Radi covalent El radi covalent és el radi nominal dels àtoms d'un element quan s'uneixen covalentment a altres àtoms, tal com es dedueix de la separació entre els nuclis atòmics de les molècules. En principi, la distància entre dos àtoms que estan units entre si en una molècula (la longitud d'aquest enllaç covalent) hauria de ser igual a la suma dels seus radis covalents.
Radi metàl·lic El radi metàl·lic és el radi nominal dels àtoms d'un element quan s'uneixen a altres àtoms mitjançant enllaços metàl·lics.
Radi de Bohr El radi de Bohr és el radi de l'òrbita d'electrons de menor energia predita pel model de l'àtom de Bohr (1913). Només és aplicable a àtoms i ions amb un sol electró, com l'hidrogen, l'heli ionitzat individualment i el positroni. Tot i que el model en si ja està obsolet, el radi de Bohr de l'àtom d'hidrogen encara es considera una constant física important, perquè és equivalent a la distància més probable de la mecànica quàntica de l'electró al nucli.
Radis atòmics mesurats empíricament La taula següent mostra els radis covalents mesurats empíricament per als elements, tal com els va publicar J. C. Slater el 1964. Els valors són en picòmetres (pm o 1×10-12m), amb una precisió d'uns 5 pm. La tonalitat del requadre va del vermell al groc a mesura que augmenta el radi; el gris indica manca de dades.
Grup(columna) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Període(fila) 1 H25 He 2 Li145 Be105 B85 C70 N65 O60 F50 Ne 3 Na180 Mg150 Al125 Si110 P100 S100 Cl100 Ar 4 K220 Ca180 Sc160 Ti140 V135 Cr140 Mn140 Fe140 Co135 Ni135 Cu135 Zn135 Ga130 Ge125 As115 Se115 Br115 Kr 5 Rb235 Sr200 Y180 Zr155 Nb145 Mo145 Tc135 Ru130 Rh135 Pd140 Ag160 Cd155 In155 Sn145 Sb145 Te140 I140 Xe 6 Cs260 Ba215 * Lu175 Hf155 Ta145 W135 Re135 Os130 Ir135 Pt135 Au135 Hg150 Tl190 Pb180 Bi160 Po190 At Rn 7 Fr Ra215 ** Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og * La195 Ce185 Pr185 Nd185 Pm185 Sm185 Eu185 Gd180 Tb175 Dy175 Ho175 Er175 Tm175 Yb175 ** Ac195 T180 Pa180 U175 Np175 Pu175 Am175 Cm Bk Cf Es Fm Md No Explicació de les tendències generals miniatura|300x300px|Radis atòmics respecte al nombre atòmic, amb les dades experimentals de l'apartat anterior Els electrons dels àtoms omplen les capes d'electrons des del nivell d'energia més baix disponible. Com a conseqüència del principi d'Aufbau, cada nou període comença amb els dos primers elements omplint el següent orbital s desocupat, amb n més gran. Com que, a major n, els electrons estan més allunyats del nucli, això resulta en un augment significatiu del radi atòmic amb els primers elements de cada període.
El radi atòmic de cada element, en general, disminueix al llarg de cada període a causa d'un nombre creixent de protons, que augmenta la força atractiva sobre els electrons, i fa que estiguin més a prop dels protons, disminuint la mida de l'àtom. A cada grup, el radi atòmic de cada element normalment augmenta perquè hi ha més nivells d'energia d'electrons ocupats i, per tant, una distància més gran entre protons i electrons.
L'augment de la càrrega nuclear es contraresta en part pel nombre creixent d'electrons, un fenomen que es coneix com a blindatge, cosa que explica per què la mida dels àtoms sol augmentar a cada columna malgrat un augment de la força atractiva del nucli. El blindatge electrònic fa que l'atracció del nucli d'un àtom sobre els seus electrons disminueixi, de manera que els electrons que ocupen estats d'energia més alts, més lluny del nucli, experimenten una força atractiva reduïda, augmentant la mida de l'àtom. Tanmateix, els elements del bloc 5d (de luteci a mercuri) són molt més petits del que indicaria aquesta tendència a causa del feble blindatge de la subcapa 4f. Aquest fenomen es coneix com a contracció dels lantànids. Existeix un fenomen similar per als actínids; tanmateix, la inestabilitat radioactiva general dels elements transurànics fa que les mesures per a la resta del bloc 5f siguin difícils i per als transactínids gairebé impossibles. Finalment, per a elements prou pesats, el radi atòmic pot disminuir per efectes relativistes. La raó és que els electrons propers al nucli fortament carregat viatgen a una fracció suficient de la velocitat de la llum per guanyar una quantitat no trivial de massa.
La taula següent resumeix els principals fenòmens que influeixen en el radi atòmic d'un element:
Factor Principi augment de… tendència efecte sobre el radi capes d'electrons mecànica quàntica nombres quàntics principal i azimutal augment cap avall de cada columna augment càrrega nuclear força atractiva que actua sobre els electrons pels protons del nucli nombre atòmic augment al llarg de cada període (d'esquerra a dreta) disminució blindatge força repulsiva que actua sobre els electrons de la capa més externa pels electrons interns nombre d'electrons a les capes internes reduir l'efecte de la càrrega nuclear augment
Contracció dels lantànids