thumb|Atom helu w stanie podstawowym. Zaczernione pole reprezentuje chmurę elektronową. Stopień zaciemnienia określa prawdopodobieństwo „spotkania” w danym miejscu elektronuKolor danego punktu jest obliczony jako całka z funkcji rozkładu prawdopodobieństwa dla orbitalu elektronowego 1s po elemencie objętości odpowiadającej linii patrzenia związanej z danym pikselem obrazu.. Powiększenie ukazuje schematyczny obraz jądra atomowego, proton reprezentuje chmurka czerwona, a neutron niebieskaW rzeczywistości jądro oraz funkcje falowe każdego z nukleonów są sferycznie symetryczne. Dla bardziej złożonych atomów taka symetria nie występuje.. Jądro ma rozmiary rzędu 1 fm – ok. 100 000 razy mniej od rozmiarów chmury elektronowej. Atom – podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznymJest to norma w zwyczajnych atomach, natomiast w atomach egzotycznych sytuacja może być inna..
Słowo atom pochodzi z greckiego – átomos (od α-, „nie-” + τέμνω – temno, „ciąć”), oznaczającego coś, czego nie da się przeciąć ani podzielić. Idea istnienia niepodzielnych składników materii pojawiła się już w pismach starożytnych filozofów indyjskich i greckich. W XVII i XVIII wieku chemicy potwierdzili te przypuszczenia, identyfikując pierwiastki chemiczne i pokazując, że reagują one ze sobą w ściśle określonych proporcjach. W XIX wieku odkryto ruchy Browna, będące pośrednim dowodem ziarnistości materii. Na początku XX wieku fizycy zbadali wewnętrzną strukturę atomów, pokazując tym samym, że są one podzielne. Teorie mechaniki kwantowej pozwoliły stworzyć matematyczne modele wnętrza atomu.
Atomy mają rozmiary rzędu 10−11–10−10 m (promień van der Waalsa od 0,31 Å dla wodoru do 2,6 Å dla fransu) i masę rzędu 10−27–10−25 kg. Można je obserwować przez skaningowy mikroskop tunelowy. Ponad 99,9% masy atomu jest zawarte w jego jądrze. Jądro atomowe zbudowane jest z nukleonów: protonów o dodatnim ładunku elektrycznym i elektrycznie obojętnych neutronów. Chmurę elektronową tworzą elektrony związane z jądrem przez oddziaływanie elektromagnetyczne. Podobne oddziaływanie pozwala atomom łączyć się w cząsteczki. Atom jest elektrycznie obojętny, gdy liczba elektronów jest równa liczbie protonów. W przeciwnym przypadku ma ładunek i nazywany jest jonem.
Główne właściwości chemiczne atomów określa liczba protonów w jądrze (liczba atomowa), gdyż determinuje ona strukturę chmury elektronowej oraz liczbę elektronów koniecznych do tego, aby atom był elektrycznie obojętny. Elektrony związane w atomach rozłożone są na powłokach, między którymi mogą przechodzić emitując bądź absorbując fotony o określonej energii. Struktura chmury elektronowej wpływa na chemiczne właściwości atomów i większość ich właściwości magnetycznych. Zbiory atomów o tej samej liczbie atomowej stanowią pierwiastki chemiczne. Atomy mające tę samą liczbę protonów, ale różniące się liczbą neutronów w jądrze to izotopy. Suma protonów i neutronów w jądrze atomu określana jest jako liczba masowa.
Wszystkie pierwiastki mają niestabilne izotopy. Ich jądra ulegają spontanicznemu rozpadowi, co zazwyczaj prowadzi do powstania atomów innych pierwiastków. Rozpadowi temu towarzyszy emisja promieniowania jonizującego. Zjawisko to jest nazywane naturalną radioaktywnością.
Historia Atomizm
Pomysł, że materia składa się z mikroskopijnych składników, których nie da się w nieskończoność dzielić na mniejsze części, był znany już w starożytności. Nie opierał się jednak na żadnych danych empirycznych, a jedynie stanowił jedną z filozoficznych koncepcji natury rzeczywistości. Cechy tych mikroskopijnych składników były odmiennie opisywane przez różne szkoły filozoficzne, często uwzględniając ich duchowe właściwości. Istnienie atomów zostało powszechnie zaakceptowane w XVIII wieku, gdy okazało się, że pozwala w elegancki sposób opisać prawa chemii.
Najstarsze odniesienia do atomów można znaleźć w pismach poświęconych dźinizmowi napisanych w VI wieku p.n.e. w Indiach. Szkoły filozoficzne Njaja i Waiśeszika opracowały zawiłe teorie, opisujące łączenie się atomów w bardziej złożone obiekty. W cywilizacji zachodniej odniesienia do atomów pojawiły się około sto lat później w pismach Leukipposa i zostały usystematyzowane przez jego ucznia Demokryta. Około 450 roku p.n.e. Demokryt wprowadził słowo átomos (niepodzielny). W latach 50 p.n.e. Lukrecjusz twierdził, iż świat składa się jedynie z atomów i pustkiLucretius, part 2: all things are made of atoms, autorstwa Emmy Woolerton.. Choć te koncepcje były czysto filozoficzne, współczesna nauka zaadaptowała tę nazwę.
W XIII wieku w alchemii pojawiła się koncepcja korpuskularyzmu. Za jej autora uważa się alchemika podpisującego się Geber. Według tej koncepcji wszystkie fizyczne obiekty posiadają wewnętrzną i zewnętrzną warstwę z mikroskopijnych cząstek. Przypominało to teorię atomizmu, z wyjątkiem odrzucenia koncepcji, że te cząsteczki są niepodzielne. Przykładowo spekulowano, że rtęć może wnikać do wnętrza metali i zmieniać ich wewnętrzną strukturę, co miało umożliwić wytwarzanie złota. Koncepcja ta zdominowała alchemię na następnych kilkaset lat.
W 1624 poglądy atomistyczne odnowił Pierre Gassendi w dziele Exercitationes paradoxicae adversus Aristoteleos.
W 1661 roku Robert Boyle opublikował traktat The Sceptical Chymist, w którym przekonywał, że materia zbudowana jest z kombinacji wielu różnych korpuskuł zamiast z klasycznych czterech żywiołów (powietrza, ziemi, wody i ognia). Koncepcji tej użył dziesięć lat później Izaak Newton do opracowania korpuskularnej teorii światła.
W 1758 atomizm był postulowany również przez Rogera BoscovichaRoger Boscovich..
Początki naukowej teorii atomu thumb|Różne atomy i cząsteczki w traktacie Johna Daltona A New System of Chemical Philosophy (1808) – jednej z najstarszych prac naukowych poświęconych atomom Jakob Hermann w 1716 roku w dziele Phoronomia opisał gaz jako składający się z cząsteczek poruszających się z różnymi prędkościami. Powiązał on ciepło gazu z kwadratem średniej prędkości jego cząsteczek. Daniel Bernoulli w 1738 roku opublikował Hydrodynamica, w której m.in. wyłożył podstawy kinetyczno-molekularnej teorii gazów. Wyjaśnił on transportowanie ciepła przez gazy oraz istnienie ciśnienia gazu poprzez oddziaływanie jego cząsteczek z otoczeniemWorld of Scientific Discovery on Daniel Bernoulli..
Wraz z przekształcaniem się chemii w naukę ścisłą nastąpił dalszy rozwój teorii atomów. W 1789 roku Antoine Lavoisier odkrył prawo zachowania masy i zdefiniował pierwiastek chemiczny jako podstawową substancję, która nie może już być rozdzielona metodami chemicznymi. W 1803 roku John Dalton skorzystał z koncepcji atomów do wytłumaczenia, czemu pierwiastki wchodzą w reakcje w stosunkach ilościowych dających się przedstawić w postaci niewielkich liczb naturalnych (prawo stosunków wielokrotnych) i czemu jedne gazy łatwiej się rozpuszczają w wodzie niż inne. Postulował, że każdy pierwiastek składa się z atomów jednego, unikalnego typu i że te atomy mogą się łączyć, tworząc związki chemiczne. Postawienie tych hipotez uczyniło Daltona twórcą współczesnej teorii atomów.
Fakty doświadczalne mające w przyszłości stanowić dodatkowe potwierdzenie teorii atomów pojawiły się w 1827 roku, gdy botanik Robert Brown odkrył zjawisko spontanicznego chaotycznego ruchu pyłków kwiatowych zawieszonych w wodzie. Zjawisko to zostało potem nazwane ruchami Browna. Jego wyjaśnienie przez termiczne ruchy cząsteczek wody zasugerował w 1877 roku Joseph Delsaulx , a w 1905 roku Albert Einstein przedstawił jego pełną matematyczną analizę. Fundamentalny wkład do teorii ruchów Browna wniósł w latach 1906–1917 Marian Smoluchowski (tworząc przy okazji nową gałąź fizyki statystycznej określanej obecnie jako procesy stochastyczne). Analiza Einsteina została potwierdzona eksperymentalnie po raz pierwszy już w 1906 roku przez Theodora Svedberga, a Jean Baptiste Perrin wykorzystał teoretyczne prace Einsteina i Smoluchowskiego do eksperymentalnego wyznaczenia mas i „rozmiarów” atomów (1908) potwierdzając ostatecznie teorię Daltona.
thumb|Pierwszy układ okresowy pierwiastków Mendelejewa (1869) W 1869 Dmitrij Mendelejew opublikował swój układ okresowy pierwiastków. Układ przedstawiał wizualnie prawo okresowości głoszące, że właściwości chemiczne pierwiastków powtarzają się okresowo, gdy uporządkuje się te pierwiastki zgodnie z ich masami atomowymi.
Wewnętrzna struktura i teoria kwantowa W 1897 roku J.J. Thomson, badając promienie katodowe, odkrył elektrony i doszedł do wniosku, że znajdują się one w każdym atomie. Tym samym obalił tezę, że atomy są ostatecznymi, niepodzielnymi elementami materii. Stworzył pierwszy model struktury atomu, w którym ujemnie naładowane elektrony unoszą się w jednorodnej, dodatnio naładowanej kuli. Model ten obalili w 1909 roku Hans Geiger, Ernest Marsden i Ernest Rutherford, gdy bombardując złotą folię cząstkami alfa odkryli, że niewielka część cząstek alfa jest odbijana, co było sprzeczne z przewidywaniami w modelu Thomsona. Na podstawie tych wyników Rutherford stworzył nowy model atomu, w którym dodatni ładunek i większość masy atomu są skupione w niewielkim jądrze w jego centrum, a ujemnie naładowane elektrony krążą wokół jądra.
W 1913 roku Frederick Soddy, badając produkty rozpadu promieniotwórczego, odkrył, że atomy każdego pierwiastka mogą występować w kilku odmianach różniących się nieco masą atomową. Określenie izotop (z gr. isos topos – „w tym samym miejscu”) zasugerowała mu szkocka pisarka i lekarz, Margaret Todd (1859–1918). J.J. Thomson opracował technikę segregowania atomów ze względu na ich stosunek masy do ładunku w zjonizowanych gazach, co umożliwiło odkrycie stabilnych izotopów.
thumb|Model Bohra atomu wodoru, pokazujący przeskok elektronu między orbitami i emisję fotonu o określonej energii Jednocześnie w 1913 roku fizyk Niels Bohr zaproponował wyjaśnienie występowania linii spektralnych w widmach emisyjnych pierwiastków przez wprowadzenie hipotezy istnienia zestawu dopuszczalnych orbit, na których mogą krążyć elektrony wokół jądra atomowego. W jego modelu każdy elektron musiał zaabsorbować lub wyemitować foton o określonej energii, żeby przeskoczyć między orbitami.
Korzystając z tego modelu, Gilbert Newton Lewis zaproponował w 1916 roku wyjaśnienie istoty wiązań chemicznych jako wymianę i współdzielenie elektronów na najwyższych orbitach atomowych. W 1919 roku Irving Langmuir zaproponował wytłumaczenie okresowości właściwości pierwiastków jako efekt grupowania się elektronów na pewnych orbitach tworzących powłoki elektronowe.
W 1922 roku doświadczenie Sterna-Gerlacha pokazało, że kierunek wektora magnetycznego momentu dipolowego atomów jest skwantowany. Specjalnie ukształtowane pole magnetyczne dzieliło strumień przelatujących przez nie atomów srebra na dwie rozdzielone wiązki. Zgodnie z mechaniką klasyczną takie zjawisko nie powinno mieć miejsca, ponieważ moment magnetyczny każdego atomu powinien móc być skierowany w dowolnym kierunku i oddziaływanie z zewnętrznym polem magnetycznym mogło jedynie rozciągnąć strumień atomów w jakimś kierunku. Zamiast tego atomy zostały rozdzielone na dwie grupy, w których wektor momentu magnetycznego skierowany był w górę lub w dół.