Атомът ( – „неделим“) е основната градивна частица на веществото и се състои от плътно централно ядро с положителен електричен заряд, заобиколено от облак отрицателно заредени електрони. Атомното ядро на свой ред е изградено от положително заредени протони и електрически неутрални неутрони. Електроните в атома са свързани с ядрото чрез електромагнитна сила.
Атомите могат да съществуват в свободно състояние или да се свързват помежду си в молекули чрез химични връзки, също основаващи се на електромагнитните сили. Атом с равен брой протони и електрони е електрически неутрален, в противен случай той има положителен или отрицателен електрически заряд и се нарича йон. Различните атоми се класифицират според броя на протоните и неутроните в ядрото: броят на протоните определя химичния елемент, а броят на неутроните определя различните изотопи на съответния елемент.
Концепцията за атома като неделима съставна част на материята е предложена за първи път от античните философи на Индия и Древна Гърция. През 18 и 19 век химиците дават физическа основа на тази идея като показват, че някои вещества не могат да бъдат разделени чрез химически реакции и прилагат старото философско понятие атом, за да обозначат тази химическа неделимост. Атомите и молекулите се възприемат като най-малките градивни частици на материята. В края на 19 и началото на 20 век физиците откриват субатомни частици и установяват структура вътре в атома, като по този начин опровергават неделимостта му и считат името за неподходящо. То обаче остава. Съвременното разбиране за атома се основава на принципите на квантовата теория.
Атомите са миниатюрни обекти с диаметри от няколко десети от нанометъра и съответстваща на размера им маса. Те могат да се наблюдават само със специални инструменти, като сканиращ тунелен микроскоп. Над 99,94% от масата на атома е съсредоточена в ядротоВ случая на водородния атом с един електрон и един протон, протонът е 1836/1837 ≈ 0,9995 или 99,95% от общата маса на атома. Всички други нуклиди (изотопи на водорода и другите елементи) имат повече нуклеони, отколкото електрони, така че съотношението между масата на ядрото и електроните е по-близко до 100% отколкото при водорода. като протоните и неутроните имат приблизително еднаква маса. Всеки елемент има поне по един изотоп с нестабилно ядро, което може да претърпи ядрен разпад. Електроните, свързани в атома, притежават стабилни енергийни нива (т.е. намират се на определени атомни орбитали), като могат да извършват квантов скок към друго енергетично ниво чрез поглъщане или изпускане на фотон с енергия, равна на разликата в енергиите на съответните енергетични нива. Електроните определят химичните свойства на химичния елемент и влияят върху магнитните свойства на атома.
История на изследванията
Атомизъм
Идеята, че материята е съставена от отделни неделими частици, датира от хилядолетия, но в древността тя е по-скоро предмет на абстрактни размишления от страна на философите, отколкото обект на експерименти и емпирични наблюдения. Представите за атом във философията варират значително според историческото време, културата и философската школа и често съдържат и духовен елемент. Въпреки това, хиляди години след нейната поява, в Новото време основната идея за атома е възприета от учените, защото добре обяснява новите открития в химията и физиката.
ЕтимологияДумата произлиза от гръцкото „ἄτομος“ – атомос (от α-, „не-“ + τέμνω – темно, „отрязвам, деля“ ), което означава неделим.
Идеята за атома се споменава още в Древна Индия и Древна Гърция. В Индия атомистичните теории на джайнизма и школите Адживика и Чарвака се появяват вероятно през 6 век пр.н.е. По-късно школите Няя и Вайшешика развиват свои теории за начина, по който атомите се съчетават в по-сложни обекти. В Европа атомите се споменават за пръв път от древногръцкия философ Левкип и неговия ученик Демокрит, който систематизира възгледите му и често е сочен за основоположник на атомизма. Приблизително през 450 г. пр.н.е. Демокрит за пръв път употребява термина átomos (), което означава „неделим“. Макар и индийската и гръцката концепции да са чисто философски, а в съвременното разбиране атомите са делими, модерната наука запазва древното гръцко име.
През 13 век алхимикът Псевдо-Гебер излага постулата за „корпускуларизма“, според който всички тела притежават външен и вътрешен слой от миниатюрни частици – „корпускули“. Корпускуларизмът е подобен на теорията за атома, макар че докато атомите са приемани за неделими, корпускулите по принцип не са такива. Така например алхимиците смятат, че живакът може да прониква в металите и да променя тяхната вътрешна структура. Корпускуларизмът остава доминираща теория в алхимията през следващите няколко столетия.
През 1661 г. натурфилософът Робърт Бойл публикува труда си „Скептичният химик“ („The Sceptical Chymist“), в който твърди, че веществото е съставено от различни комбинации на корпускули или атоми, а не от класическите елементи въздух, земя, огън и вода. Малко по-късно Исак Нютон също използва понятието „корпускули“ при създаването на своята корпускулярна теория на светлината.
Формиране на научна теория на атома
Развитието на възгледа за атомите получава нов тласък с напредъка на химията. През 1789 г. французинът Антоан Лавоазие формулира закона за запазване на масата и дефинира химичния елемент като основна субстанция, която не може да се разделя по химичен път. Малко по-късно, през 1799 г., Жозеф Пруст извежда и закона за постоянния състав на химичните съединения. Тези два закона са основата за откритията на англичанина Джон Далтон, които изиграват решаваща роля за развитието на понятието за атом.
През 1805 г. Далтон използва идеята за атомите, за да обясни защо елементите винаги реагират в съотношения, равни на малки цели числа (закон за кратните отношения), и защо някои газове се разтварят по-добре във вода от други. Според него всеки химичен елемент е съставен от атоми от различен специфичен вид и тези атоми могат да се съчетават и да образуват по-сложни химични съединения. Тъй като той стига до това заключение чрез експерименти и анализ на резултатите, това поставя началото на истинската научна теория на атома.
Далтон оценява атомните тегла на елементите според пропорциите на съответните маси, с които те се съединяват един с друг, като за единица приема водорода. Той допуска известни неточности при съставянето на своите таблици, но те са коригирани през 1811 г. от Амедео Авогадро. Авогадро предлага хипотезата (наречена по-късно закон на Авогадро), че един мол от произволен газ при еднаква температура и налягане заема един и същ обем и съдържа еднакъв брой молекули. Атомната хипотеза на Далтон не определя размера на атомите, въпреки че те очевидно би трябвало да са много малки. Едва през 1865 г. Йохан Йозеф Лошмит измерва размера на молекулите на въздуха, с което дава представа за абсолютните размери на атомите.
През 1869 г., обобщавайки направените дотогава открития, руснакът Дмитрий Менделеев създава първата Периодична система на елементите. Самата таблица е визуализация на периодичния закон, според който свойствата на химичните елементи се повтарят периодично, когато те бъдат подредени по атомен номер.
Теорията на атома получава допълнителна подкрепа през 1827 г. от откритието на шотландския ботаник Робърт Браун, че частици прах върху водна повърхност, наблюдавани под микроскоп, се движат хаотично – явление, станало известно като Брауново движение. През следващите десетилетия се правят опити то да се обясни с топлинното движение на водните молекули, като през 1905 г. германецът Алберт Айнщайн прави първия математически анализ на явлението. През 1908 г. французинът Жан Батист Перен въз основа на заключенията на Айнщайн определя масата и размерите на някои атоми, с което окончателно потвърждава Далтоновата теория на атома.
Изследвания на вътрешното устройство
През 1897 г. английският физик Джоузеф Джон Томсън открива съществуването на електрони чрез експериментите си с наричаните тогава катодни лъчи и стига до извода, че те са съставна част на всички атоми. С това той отхвърля представата, че атомите са крайната неделима частица на материята. Според Томсън леките и отрицателно заредени електрони са разпределени в целия обем на атома или може би се въртят по кръгови орбити, като електрическият им заряд се уравновесява от наличието на облак от положителен заряд, разпределен в пространството. По-късно този модел е наречен „пудинг със стафиди“.
Моделът на Томсън е отхвърлен през 1909 г., когато новозеландецът Ърнест Ръдърфорд и неговите студенти Ханс Гайгер и Ърнест Марсдън откриват експериментално атомното ядро. Експериментът се състои в бомбардирането на златно фолио с алфа-частици, за които се знае, че са положително заредени хелиеви атоми. Установено е, че малка част от преминалите частици претърпяват отклонения, далеч по-големи от очакваните при модела на Томсън. Ръдърфорд приема, че почти цялата маса и положителният заряд на тежките златни атоми са концентрирани в една много малка част от неговия обем, която нарича ядро. Тази представа получава името модел на Ръдърфорд.
През 1913 г. при експерименти с продуктите на радиоактивен разпад английският радиохимик Фредерик Соди установява, че във всяка позиция на Периодичната система изглежда има по повече от един химичен елемент и въвежда понятието изотоп. Непосредствено след това, въз основа на своите изследвания на йонизираните газове, Томсън предлага метод за отделяне на различните видове атоми, което по-късно довежда до откриването на стабилните изотопи.
През същата 1913 г. датският физик Нилс Бор предлага нов модел на атома, който взема за основа модела на Ръдърфорд, но с една съществена разлика: електроните обикалят около ядрото само по точно определени кръгови орбити с дискретни (квантувани) стойности на характеризиращите ги момент на импулса и енергия. Те могат да прескачат от една орбита на друга, но не и да се движат свободно в междинните нива. Тъй като радиусът на орбитата е пропорционален на енергията на електрона, при тези преходи между две нива с различна енергия електронът излъчва или поглъща определени количества енергия във вид на фотони, чиято честота е пропорционална на промяната в енергията на електрона. По този начин моделът на Бор обяснява дискретните и постоянни за даден материал спектрални линии, наблюдавани при спектрален анализ на излъчваната при нагряване светлина.
По-късно през същата година английският физик Хенри Моузли дава допълнителни експериментални потвърждения за теорията на Нилс Бор. Неговите резултати прецизират моделите на Ърнест Ръдърфорд и холандеца Антониус ван ден Брук, като според Моузли в ядрото на атома има положителни заряди, по брой равни на атомния номер на елемента в периодичната система. Преди експериментите на Моузли не е известно атомният номер да е свързан с някакви физични или емпирични свойства. По този начин опитите на Моузли показват, че местата на елементите в периодичната система не са избрани само въз основа на химичните им свойства, а имат солидна физическа основа.
Чрез атомната теория намира своето обяснение и химичната връзка между атомите – това прави американецът Гилбърт Люис през 1916 г., като я свързва с електронно взаимодействие между атомите. Тъй като е известно, че химичните свойства на елементите се повтарят според периодичния закон, през 1919 г. американецът Ървинг Лангмюр обяснява това с теорията, че електроните в атома са свързани един с друг или групирани по някакъв начин. Приема се, че групите от електрони образуват набор от електронни обвивки около ядрото.