Atom 300px|right|Heliumatomets grunntilstand <small>Figuren viser en representasjon av strukturen for et heliumatom. Klassifisering Minste enhet i et grunnstoff eller en kjemisk substans Egenskaper Atommasse : ≈ 1,67 × 10−27 til 4,52 × 10−25 kg Elektrisk ladning : Nøytralt (Hvis antall elektroner er lik antall protoner) Radius : ≈ 31 pm - 215 pm 100 pm = 1 Angstrom Et atom er en submikroskopisk struktur som ikke kan deles i mindre elementer via kjemiske reaksjoner og beholde sine kjemiske egenskaper. Atomer er bestanddeler i molekyler (kjemiske stoffer). Ordet atom kommer fra det greske ordet atomos som betyr udelelig. Et atoms radius er i området 31 (helium) til 215 (radium) picometer.
Tidligere forestillinger om stoffers fysiske struktur var basert på at fysisk deling i stadig mindre biter ville resultere i atomet som minste og udelelige bestanddel. I 1913 presenterte Bohr sin atommodell som deler atomet opp i tre underliggende elementærpartikler:
elektroner, som har negativ elektrisk ladning og er minst av de tre; protoner, som har positiv ladning og er omtrent 1836 ganger tyngre enn elektronet; og nøytroner, som er elektrisk nøytrale og er omtrent 1839 ganger tyngre enn elektronet.
Kvantemekanikken beskriver nå materiens bølge-partikkel-dualitet og er det matematiske rammeverket for standardmodellen som beskriver krefter og partikler på subatomært nivå. Elementærpartiklene deles nå videre opp i flere typer partikler f.eks kvarker og kraftvirkning mellom partikler f.eks gluoner. Atomære og subatomære partikler kan ikke sees som distinkt avgrensede fysiske objekter, men som en romlig fordeling som angir sannsynligheten for partikkelens energi, utstrekning og posisjon til forskjellig tid. Partiklenes egenskaper er ikke lenger uavhengige, men avhenger av hvilke andre partikler de opptrer i kombinasjon med. Dette betegnes som resonanser eller interaksjoner.
Beskrivelsen av elementærpartikler brukes allikevel som modell for å forklare mange av atomets egenskaper og oppbygning. I figuren over viser den grå skyggen posisjonen for elektronene i 1s orbitalet som et integral over sannsynlighetsfordelingen for bølgefunksjonen langs en siktelinje. Den forstørrede atomkjernen viser tilsvarende for protonene i rødt og nøytronene i blått. I virkeligheten er kjernen for 4He rotasjonssymmetrisk, dette er ikke generelt tilfelle for mer komplekse kjerner.
Atomene er de grunnleggende byggeklossene i kjemien, og bevares ved kjemiske reaksjoner men ikke ved kjernereaksjoner.
Oppbygning og ladning Atomets bestanddeler har etter sin kvantemekaniske beskrivelse ingen klar avgrensing, men beskrives som energinivåer i et tredimensjonalt rom etter bølgefunksjonen ψ(x,y,z) som beskrives av Schrödinger-ligningen. Videre kan en partikkel etter uskarphetsrelasjonen befinne seg i en hvilken som helst avstand og retning. Men normalt er det høy sannsynlighet for at partikkelen befinner seg i et avgrenset volum, og det er dette volumet som danner bakgrunn for å angi størrelse, avstand osv.
Atomets størrelse beskriver statistisk radius for det ytterste stabile orbitalet når atomet er i likevekt. For hydrogen er dette radius for 1s orbitalet og benevnes Bohrs radius a0 = 5,3•10−11m. Men dette skal ikke forstås som et uttrykk for hvor stor plass atomet opptar. Faktisk avstand mellom to atomer vil være avhengig av om atomene er bundet eller ikke og med hvilken bindingstype. For eksempel er avstanden mellom H og O i vannmolekylet 9,6•10−11m, mens summen av atomradiene er (5,3+6,0)•10−11m = 11,3•10−11m
Atomkjernen består av protoner og nøytroner som benevnes nukleoner. Antallet protoner bestemmer hvilket grunnstoff atomet er og betegnes med atomnummer Z. Totalt antall nukleoner benevnes A. Antallet nøytroner N = A - Z bestemmer isotopvarianten. Det enkleste atomet er hydrogen som består av ett elektron bundet til ett proton. Et generelt atom av grunnstoffet X kan betegnes ganske enkelt som AX, men oftest mer fullstendig som
Elementærpartiklene i kjernen har en diameter på omkring 1,2•10−15m (Fermi radius r0) eller rundt 1/100 000 del av atomets radius. Kjernens typiske radius er rn = r0 A1/3 og atomet består derfor i stor grad av tomt rom. Forholdsmessig er dette sammenlignbart med størrelse og avstand mellom Solen og dvergplaneten Pluto (selv om partikkelsammenligningen som sådan ikke er holdbar).
Elektronene danner en elektronsky som omgir kjernen. Normalt er atomet nøytralt ved at det har like mange elektroner og protoner. Dersom atomet har et overskudd eller underskudd av elektroner, kalles det henholdsvis et anion (negativt ladd ion) eller et kation (positivt ion). Elektronene har flere energinivåer eller orbitaler. Bindingsenergien for elektronet i det laveste skall i hydrogen er 13,6 eV, og bindingsenergien blir mindre i høyere skall inntil elektronet er fritt og bindingsenergien er null (for hydrogen er EB = 13.6 eV/n2 der n er et naturlig tall som angir skallet.).
Nukleonene er bundet sammen med mye høyere energinivåer, typisk på 100 000 ganger høyere enn elektronbindingen og endres ved kjernefysisk fisjon, fusjon eller radioaktiv nedbrytning. Slike prosesser kalles også transmutasjon og omformer et grunnstoff til et annet.
Atomer og molekyler thumb|Vannmolekyl thumb|Krystallgitter i NaCl, vanlig koksalt (halitt) Elektronene i de høyeste orbitalene har lav bindingsenergi og kan lett frigjøres. De vil derfor utveksles med nærliggende atomer eller deles mellom flere atomer. Orbitalene fylles opp fra laveste nivå, og spesielt antall elektroner i det øverste orbitalet bestemmer mange av atomets kjemiske egenskaper. Ved hjelp av disse mekanismene skapes kjemiske bindinger som danner molekyler og elektronparbundne krystallstrukturer.
Molekylene bygges opp av flere atomer; for eksempel er vann en kombinasjon av to hydrogen og ett oksygen atom (H2O), mens vanlig oksygen i luften er en kombinasjon av to oksygenatomer (O2). Disse har kjemiske egenskaper som ofte er forskjellige fra de grunnstoffene de består av. Molekyler er de minste enhetene som et stoff kan deles i og fremdeles bevare disse kjemiske egenskapene. I noen stoffer er atomene eller molekyler organisert i krystallstrukturer, dvs. at de er organisert i romlige mønstre som gjentas i forskjellige retninger. Krystallet kan bestå av samme eller forskjellige typer atomer og/eller molekyler. En spesiell type krystaller brukes i elektronikk-komponenter der krystallet bygges opp av halvledere med små mengder andre atomer som i stor grad endrer krystallgitterets elektriske egenskaper.
Atomer der ytterste orbital er helt fylt opp, danner vanligvis ikke kjemiske bindinger, og kalles derfor edelgasser. Her vil de enkelte atomene eksistere ubundet. Disse okkuperer gruppe 18 i det periodiske systemet.
I en del stoffer er det ikke noen egentlig molekyl- eller gitterstruktur. Disse har organiseringer uten noen finstruktur på molekylnivå. Dette er tilfellet for eksempel smeltede metaller og amorfe bergarter og mineraler.
Historikk og utviklingen av atommodellen left|thumb|Forskjellige atomer og molekyler som avbildet i John Daltons A New System of Chemical Philosophy (1808). Filosofiske funderinger over materiens oppbygning går tilbake til Antikkens Hellas og tidlig indisk kultur omkring 450 f.kr. Demokrit framsatte teorien om at alt kan deles i stadig mindre stykker, inntil man når en nedre grense. De minste udelelige stykkene kalte han for atomer som betød udelelig. Disse ideene gikk senere tapt og ble først gjenoppdaget nesten 2000 år senere, i forbindelse med ny interesse for naturvitenskap under renessansen.
John Dalton brukte i 1803 ideen om atomet for å forklare hvorfor grunnstoffene alltid reagerer i samme forhold, og hvorfor noen gasser løses bedre i vann enn andre. Han framsatte hypotesen at hvert grunnstoff består av atomer av en fast unik type, og at disse forenes og danner sammensatte kjemiske stoffer.
I 1897 oppdaget JJ Thomson elektronet som et resultat av arbeid med katodestråler. Dette viste at atomet kan deles i mindre enheter. Senere oppdaget Thomson eksistensen av isotoper gjennom arbeidet med ioniserte gasser. Thomson antok at elektronene var jevnt fordelt i et atom med en utstrakt positiv ladning som gjør atomet nøytralt. Denne beskrivelsen blir vanligvis omtalt som rosinbollemodellen eller "plum pudding modell" på engelsk.
Men i 1909 viste Rutherfords gullfolieeksperiment at atomets positive ladning og størstedelen av massen trolig er samlet i en atomkjerne, og at elektronene sirkler rundt denne som planeter rundt sola. Rutherfords atommodell ble framsatt i 1911, men allerede i 1913 presenterte Niels Bohr sin atommodell som innførte kvantebegrepet. Elektronene ble nå kvantifisert i klart definerte baner og kunne ikke lenger spiralisere inn og ut.
I 1926 foreslo Erwin Schrödinger at elektronene oppførte seg som bølger. Som en følge av dette viste Werner Heisenberg et år senere at det ikke er matematisk mulig å måle en partikkels tilstand (posisjon og moment) til en gitt tid helt nøyaktig. Dette usikkerhetsprinsippet medførte at Bohrs atommodell ble erstattet med en beskrivelse der det ikke er mulig å angi elektronenes posisjoner, kun sannsynligheten for at de befinner seg innen visse soner.
Fra tidlig på 1970-tallet har standardmodellen gitt en samlet beskrivelse av elementærpartikler og krefter på subatomært nivå. Den har gitt en rekke teoretiske forutsigelser som senere er blitt eksperimentelt verifisert med høy nøyaktighet. Teorien har imidlertid fortsatt en rekke svakheter som at den inneholder mange eksperimentelt bestemte (ikke beregnede) konstanter, og at den ikke inkluderer gravitasjon.
Atomets egenskaper innenfor gjeldende teori Subatomære partikler right|450px|thumb|Oversikt over partikler og familier i standardmodellen Inntil 1961 ble atomet antatt å bestå bare av elektroner, nøytroner og protoner. Standardmodellen som ble utviklet tidlig på 1970-tallet, beskriver de partikler og krefter som bygger opp subatomære partikler. Kvarker kommer i 3 par (6 varianter) med ladning henholdsvis +2/3 og −1/3 og spinn ½. De forekommer ikke fritt, men er alltid bundet sammen i baryoner med 3 kvarker som får ½ heltalls spinn og mesoner med 2 kvarker og heltalls spinn. Elektronet sammen med partikler som positroner og nøytrinoer er leptoner og påvirkes ikke av den sterke kjernekraften. Familiene leptoner og bosoner er begge fermioner som er partikler med ½ heltalls spinn.
Protonene og nøytronene er baryoner og bygges opp av u (opp) og d (ned) kvarker som har såkalt fargeladning i tillegg til at de har elektrisk ladning. Protonet får med kombinasjonen (uud) en positiv elektrisk elementærladning mens nøytronet med (udd) blir elektrisk nøytralt. Kvarkene holdes sammen av den såkalte fargekraften formidlet av gluoner som er vekselvirkningsbosoner. Størstedelen av energien i nøytronet og protonet kommer ikke fra opp ned kvarkene (med 4 og 8 MeV) men ligger i bindingsenergien som gir dem masser på respektive 938,3 og 939,6 MeV. Protonene og nøytronene er fargenøytrale. Men fargeladningen er ujevnt fordelt i dem slik den elektriske ladningen er ujevnt fordelt i molekyler. På tilsvarende måte som det gir opphav til bindingskrefter mellom molekyler, gir den ujevne fordelingen av fargeladning i protonene og nøytronene opphav til sterk kjernekraft eller nukleon-til-nukleon-kraften som holder atomkjernene sammen, til tross for den elektriske frastøtningen mellom protonene.
Fotoner er masseløse elektromagnetiske bølger (partikler) med heltalls spinn som formidler den elektromagnetiske kraften. Denne virker mellom elektronet og kjernen og sammen med elektronets bølgenatur dannes orbitalene.
Elektroner og elektronskall