Un atom este cea mai mică unitate constitutivă a materiei comune care are proprietățile unui element chimic. Orice solid, lichid, gaz și plasmă este compus din atomi neutri sau ionizați. Atomii sunt foarte mici; dimensiuni tipice sunt în jur de 100 pm (o zecime de miliardime dintr-un metru). Atomii nu au limite bine definite și există diferite moduri de a defini dimensiunea, care dau fiecare valori diferite, dar apropiate ca valoare.
Conform ipotezei De Broglie, atomii sunt suficient de mici încât încercarea de a le prezice comportamentul folosind fizica clasică de exemplu, ca și cum ar fi niște bile de biliard dă predicții vizibil incorecte din cauza efectelor cuantice. Prin dezvoltarea fizicii, modelele atomice au încorporat principii cuantice pentru a explica și prezice mai bine acest comportament.
Fiecare atom este format dintr-un nucleu și din unul sau mai mulți electroni legați de nucleu. Nucleul este format din unul sau mai mulți protoni și, de obicei, dintr-un număr similar de neutroni. Protonii și neutronii se numesc nucleoni. Peste 99,94% din masa unui atom este concentrată în nucleu. Protonii au sarcină electrică pozitivă, electronii au sarcină electrică negativă, iar neutronii nu au sarcină electrică. Dacă numărul de protoni este egal cu cel de electroni, atunci atomul este neutru din punct de vedere electric. Dacă un atom are mai mulți sau mai puțini electroni decât protoni, atunci acesta are o sarcină totală negativă, respectiv pozitivă, și se numește ion.
Electronii unui atom sunt atrași de protonii din nucleul atomic de această forță electromagnetică. Protonii și neutronii din nucleu sunt atrași unul de celălalt printr-o altă forță, forța nucleară, care de obicei este mai puternică decât forța electromagnetică de respingere ce acționează între protonii încărcați pozitiv. În anumite circumstanțe, forța electromagnetică de respingere poate deveni mai puternică decât forța nucleară, și nucleonii pot fi astfel scoși din nucleu, lăsând în urmă un element diferit: dezintegrarea nucleară rezultă în transmutație nucleară.
Numărul de protoni din nucleu definește elementul chimic căruia îi aparține atomul: de exemplu, toți atomii de cupru conțin 29 de protoni. Numărul de neutroni definește izotopul elementului. Numărul de electroni influențează proprietățile magnetice ale unui atom. Atomii se pot atașa de unul sau mai mulți alți atomi prin legături chimice pentru a forma compuși chimici, cum ar fi moleculele. Capacitatea atomilor de a se asocia și disocia este responsabilă pentru cele mai multe dintre modificările fizice observate în natură, și este subiectul disciplinei chimie.
Istoria teoriei atomice Atomii în filosofie Ideea că materia este alcătuită din unități discrete este o idee foarte veche, care apare în multe culturi antice, cum ar fi Grecia și India. Cuvântul „atom” a fost inventat de vechii filosofi greci. Cu toate acestea, aceste idei își aveau fundamentul mai mult în raționamentele filozofice și teologice, decât în dovezi și experimente. Ca urmare, vederile lor asupra felului cum arată și cum se comportă atomii erau incorecte. Ele nu puteau nici să convingă pe toată lumea, astfel încât atomismul era doar una dintr-o serie de ipoteze concurente cu privire la natura materiei. Abia în secolul al XIX-lea, ideea a fost îmbrățișată și rafinată de oamenii de știință, când știința emergentă a chimiei a produs descoperiri pe care numai conceptul de atomi le putea explica.
Primele teorii bazate pe dovezi dreapta|miniatura|Diverși atomi și molecule, așa cum au fost descrise de John Dalton în Un nou sistem de filosofie chimică (1808). La începutul anilor 1800, John Dalton a folosit conceptul de atomi pentru a explica de ce elementele reacționează întotdeauna în raporturi de numere întregi mici (legea proporțiilor multiple). De exemplu, există două tipuri de : unul este 88,1% staniu și 11,9% oxigen, iar celălalt este 78,7% staniu și 21,3% oxigen (oxid de staniu (II) și, respectiv, ). Acest lucru înseamnă că 100 g de staniu se vor combina fie cu 13,5 g, fie cu 27 g de oxigen. 13,5 și 27 sunt în raport de 1:2, un raport de numere întregi mici. Acest model comun în chimie i-a sugerat lui Dalton că elementele care reacționează în număr întreg multiplu de unități discrete — cu alte cuvinte, atomi. În cazul oxizilor staniului, un atom de staniu se va combina cu unul sau doi atomi de oxigen.
Dalton credea și că teoria atomică ar putea explica de ce apa absoarbe gaze diferite în proporții diferite. De exemplu, el a constatat că apa absoarbe dioxidul de carbon mult mai bine decât absoarbe azotul., în Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester Ipoteza lui Dalton se datora diferențelor de masă și configurație între particulele gazelor respective și moleculele de dioxid de carbon (CO2) sunt mai grele și mai mari decât moleculele de azot (N2).
Mișcarea browniană În 1827, botanistul Robert Brown a folosit un microscop pentru a privi granule de praf plutind în apă și a descoperit că ele se mișcau haotic, fenomen care a devenit cunoscut sub numele de „mișcare browniană”. Acest lucru a fost considerat a fi cauzat de faptul că moleculele de apă lovesc granulele. În 1905, Albert Einstein a dovedit realitatea acestor molecule și mișcării lor prin producerea primei analize de fizică statistică a mișcării browniene. Fizicianul francez Jean Perrin s-a folosit de munca lui Einstein pentru a determina experimental masa și dimensiunile atomilor, confirmând astfel în mod concludent teoria atomică a lui Dalton.
Descoperirea electronului thumb|right|upright| Sus: Rezultatele așteptate: particulele alfa care trec prin modelul cozonacului cu stafide al atomului cu deviere neglijabilă. Jos: Rezultatele observate: o mică parte din particulele au fost deviate de sarcina pozitivă concentrată în nucleu. Fizicianul J. J. Thomson a măsurat masa razelor catodice, arătând că ele sunt formate din particule, dar că acestea sunt de circa 1800 de ori mai ușoare decât cel mai ușor atom, cel de hidrogen. Prin urmare, ei nu erau atomi, ci o nouă particulă, prima particulă subatomică ce a fost descoperită, și pe care el a numit-o inițial „corpuscul”, și mai târziu electron, după particulele postulate de către în 1874. El a arătat și că ele sunt identice cu particulele emanate de materialele fotoelectrice și de cele radioactive. S-a recunoscut rapid că acestea sunt chiar particulele care transportă curenții electrici în firele de metal, și care poartă sarcina electrică negativă în atomi. Thomson a primit în 1906 Premiul Nobel în Fizică pentru acest lucru. Astfel, el a răsturnat credința că atomii sunt particulele finale, indivizibile, de materie. Thomson a și postulat, incorect, că masa redusă a electronilor încărcați negativ este distribuită prin tot atomul printr-o mare uniformă de sarcini pozitive. Acest lucru a devenit cunoscut ca modelul „cozonacului cu stafide”.
Descoperirea nucleului În 1909, Hans Geiger și , sub conducerea lui Ernest Rutherford, au bombardat o folie metalică cu particule alfa pentru a observa cum se împrăștie ele. Ei se așteptau ca toate particulele alfa să treacă direct prin folie, cu minime devieri, deoarece modelul lui Thomson spunea că sarcina în cadrul atomului este atât de difuză încât câmpurile lor electrice nu ar putea afecta prea mult particulele alfa. Cu toate acestea, Geiger și Marsden au constatat că unele particule alfa sunt deviate la unghiuri mai mari de 90°, ceea ce în mod normal ar fi trebuit să fie imposibil potrivit modelului Thomson. Pentru a explica acest lucru, Rutherford a propus că sarcina pozitivă a atomului este concentrată într-un nucleu mic aflat în centrul atomului.
Descoperirea izotopilor În timp ce experimenta cu produsele dezintegrării radioactive, în 1913 radiochimistul Frederick Soddy a descoperit ceea ce părea să fie mai mult decât un singur tip de atom pe fiecare poziție în tabelul periodic. Termenul izotop a fost inventat de către Margaret Todd ca nume potrivit pentru diferiți atomi care aparțin aceluiași element. J. J. Thomson a creat o tehnică de separare a tipurilor de atom prin munca sa de gaze ionizate, care ulterior a condus la descoperirea .
Modelul Bohr dreapta|miniatura|Modelul Bohr al atomului, cu un electron face „salturi cuantice” instantanee de la o orbită la alta. Acest model este învechit. În 1913, fizicianul Niels Bohr a propus un model în care electronii unui atom sunt presupuși a orbita în jurul nucleului, dar că pot face acest lucru numai într-o mulțime finită de orbite, și ar putea sări între aceste orbite numai în salturi discrete de energie corespunzătoare absorbției sau radiației unui foton. Această cuantificare a fost folosită pentru a explica de ce orbitele electronilor sunt stabile (având în vedere că, în mod normal, sarcinile accelerate, inclusiv prin mișcare circulară, pierd energie cinetică care emisă sub formă de radiații electromagnetice, vezi radiația de sincrotron) și de ce elemente absorb și emit radiații electromagnetice în spectre discrete.
Mai târziu în același an, Henry Moseley a furnizat noi dovezi experimentale în favoarea teoriei lui Niels Bohr. Aceste rezultate au rafinat modelul lui Ernest Rutherford și modelul lui , care avansa ideea că atomul conține în nucleu un număr de pozitive egal cu numărul (atomic) din tabelul periodic. Până la aceste experimente, numărul atomic nu era cunoscut drept cantitate fizică și experimentală. Faptul că este egal cu sarcina atomică rămâne modelul atomic acceptat astăzi.
Legăturile chimice explicate Legăturile chimice dintre atomi erau acum explicate, de Gilbert Newton Lewis în 1916, ca interacțiuni între electronii care îi compun. Cum se cunoștea în mare măsură că proprietățile chimice ale elementelor se repetă în conformitate cu o , în 1919, chimistul american Irving Langmuir a sugerat că acest lucru ar putea fi explicat prin faptul că electronii dintr-un atom sunt legați sau grupați într-un fel. Se credea că grupurile de electroni ocupă o mulțime de învelișuri electronice în jurul nucleului.
Evoluțiile ulterioare în fizica cuantică Experimentul Stern–Gerlach din 1922 a furnizat dovezi suplimentare ale naturii cuantice a atomului. Atunci când un fascicul de atomi de argint a fost trecut printr-un câmp magnetic de formă specială, fasciculul a fost divizat în funcție de direcția momentului cinetic al atomului, denumit spin. Cum această direcție este aleatoare, era de așteptat ca raza să se răspândească într-o linie. În schimb, fasciculul a fost împărțit în două părți, în funcție de orientarea spinului atomic, în sus sau în jos.
În 1924, Louis de Broglie a avansat ipoteza că toate particulele se comportă până la un punct ca niște unde. În 1926, Erwin Schrödinger a folosit această idee pentru a dezvolta un model matematic al atomului, care descria electronii ca tridimensionale, mai degrabă decât ca particule punctiforme. O consecință a folosirii formelor de undă pentru a descrie particulele a fost că este matematic imposibil să se obțină valori precise atât pentru poziția cât și pentru impulsul unei particule la un moment dat în timp; acest lucru a devenit cunoscut ca principiul incertitudinii, și a fost formulat de Werner Heisenberg în 1926. În acest concept, pentru o anumită precizie în măsurarea unei poziții se poate obține o gamă largă de valori probabile pentru impuls, și vice-versa.What is the Heisenberg Uncertainty Principle? - Chad Orzel TED-ED talk Acest model a fost în măsură să explice observațiile comportamentului atomic pe care modelele anterioare nu le puteau explica, cum ar fi anumite șabloane structurale și spectrale ale unor atomi mai mari decât hidrogenul. Astfel, s-a renunțat la modelul planetar al atomului în favoarea unuia care descria zone orbitale atomice în jurul nucleului unde un anumit electron este cel mai probabil să fie observat.
Descoperirea neutronilor