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Desde un punto de vista clásico, el átomo sería muy similar a un sistema solar, con un núcleo central donde se concentra toda la carga positiva, equivalente al Sol como objeto más masivo, en torno al cual giran en órbitas estables los electrones de carga negativa, los planetas. Este es, básicamente, el modelo de átomo de Rutherford. Las órbitas de los planetas vienen determinadas por las leyes de Kepler y son estables por el principio de conservación de la energía; los planetas se mueven básicamente en el vacío y no tienen posibilidad de ganar o perder energía a no ser por la acción de un objeto externo.
La fuerza eléctrica entre el núcleo y los electrones es atractiva como la fuerza gravitatoria (en el caso del átomo la fuerza gravitatoria es mucho más débil que la fuerza eléctrica, y es irrelevante), pero un modelo como el de Rutherford no puede explicar la estabilidad del átomo porque cualquier carga eléctrica acelerada, y el electrón lo está por estar orbitando alrededor del núcleo, emite radiación incluso desde el punto de vista clásico. Al emitir radiación perdería energía y acabaría colapsando al núcleo. Los planetas pueden también pierden energía emitiendo ondas gravitacionales, pero estas son tan débiles que no representan un peligro real. Existen varios proyectos para observar estas ondas gravitacionales cuyos resultados se esperan a muy largo plazo debido a su debilidad.
Puesto que estamos aquí, tiene que haber alguna razón por la cual el átomo sea estable. Por ese motivo, Niels Bohr propuso en 1913 un nuevo modelo de átomo basado en tres hipótesis. La primera hipótesis es que los electrones no emiten radiación mientras orbitan.
La segunda es que sólo están permitidas ciertas órbitas. Y la tercera es que sólo emiten o absorben radiación cuando cambian de una órbita permitida a otra. De ser ciertas estas tres hipótesis el átomo sería obviamente estable.
Para justificar estas tres hipótesis es necesario recurrir a la Mecánica Cuántica. En Mecánica Cuántica las órbitas de Bohr dejan de tener sentido por el principio de incertidumbre de Heisenberg, pero es la cuantización de la energía la que determina que los electrones sólo puedan adquirir ciertos niveles de energía. La única forma que tienen los electrones de perder o ganar energía es cambiando de nivel de energía, emitiendo o absorbiendo radiación (fotones) cuya energía coincide con la diferencia de energía entre ambos niveles.
Además como los electrones son fermiones, sólo pueden acceder a un nivel de energía si este no ha sido ocupado ya por otro electrón. Podríamos argüir que colapsar al núcleo es el nivel de energía posible más bajo y que por lo tanto la Mecánica Cuántica tampoco garantiza la estabilidad del átomo. De nuevo es necesario recurrir al principio de incertidumbre de Heisenberg. Gracias a este principio existe un nivel de energía mínimo dentro del átomo y no es posible que un electrón colapse al núcleo porque no puede superar ese umbral.
Desintegraciones que estabilizan
Cuestión aparte es la desintegración beta debida a la interacción nuclear débil. Un neutrón del núcleo puede transformarse (desintegrarse) en un protón emitiendo un electrón y un antineutrino. El electrón se escapa del núcleo produciendo la llamada radiación beta, una forma de radioactividad. Este es un caso de estabilidad del núcleo, más que de estabilidad del átomo. También es posible el proceso inverso en el cual se emite un positrón, la antipartícula del electrón. Para que este proceso ocurra tiene que ser energéticamente favorable, por eso sólo es posible en núcleos relativamente pesados. El núcleo de hidrógeno es estable porque un solo protón no puede desintegrarse a un neutrón, puesto que este último tiene una masa superior al protón.
La temperatura macroscópica mide el grado de excitación medio, de movimiento, del átomo o de la molécula correspondiente, pero no está relacionada con el movimiento de los electrones dentro del átomo, cuya energía viene determinada por la Mecánica Cuántica. El factor de conversión entre la temperatura medida en grados Kelvin (K) y la temperatura medida en electronvoltios (eV) es de 1 eV = 11605 K. La energía de los electrones del átomo de hidrógeno es de varios eV, y esta es la energía que debemos proporcionar para poder extraer el electrón del átomo, para ionizarlo. Dado el factor de conversión anterior, necesitaríamos una temperatura muy alta para destruir el átomo de hidrógeno. Los protones que son inyectados en el LHC son producidos sometiendo moléculas de hidrógeno a una descarga eléctrica suficientemente alta, pero no podrían ser producidos simplemente calentando el gas.