Atom je najmanja gradivna čestica obične materije koja zadržava osobine nekog hemijskog elementa. Svako čvrsto tijelo, tečnost, plin i plazma sastavljeni su iz neutralnih ili ioniziranih atoma. Atomi su veličinom ekstremno mali, obično se njihova veličina kreće oko 100 pikometara (deset-milijarditi dio metra).
Atomi su dovoljno mali tako da pokušaji da se pretpostavi njihovo ponašanje korištenjem postulata klasične fizike, naprimjer prikazujući ih u obliku bilijarskih kugli i slično, daju izrazito netačna predviđanja i rezultate, a uzrok toga su kvantni efekti. Tokom razvoja teoretske atomske fizike, u modele atoma uključeni su kvantni principi za bolje objašnjavanje i predviđanje ponašanja atoma.
Svaki atom sastavljen je iz atomskog jezgra i jednog ili više elektrona vezanih za to jezgro. Atomsko jezgro sastavljeno je iz jednog ili više protona i često istog ili približno istog broja neutrona. Protoni i neutroni nazivaju se i nukleoni. Više od 99,94% mase atoma otpada na njegovo jezgro. Protoni imaju pozitivan električni naboj, elektroni negativan naboj, dok neutroni nemaju električnog naboja. Ako u atomu postoji jednak broj protona i elektrona, takav atom je električno neutralan. Ako atom ima više ili manje elektrona od protona, tada je on općenitno negativno ili pozitivno naelektrisan, te se naziva ion. Elektromagnetna sila privlači elektrone protonima u atomskoj jezgri. Unutar jezgre, protoni i neutroni se međusobno privlače nuklearnim silama, koja je obično mnogo snažnija od elektromagnetnih sila koji odbija pozitivno naelektrisane protone jedne od drugih. Pod određenim okolnostima, odbijajuća elektromagnetna sila postane jača od nuklearnih sila, te se nukleoni izbacuju iz jezgra, a atom tog elementa pretvara se u atom drugog elementa, što predstavlja nuklearni raspad, čiji je krajnji rezultat nuklearna transmutacija.
Broj protona u jezgru definira kojem hemijskom elementu taj atom pripada; naprimjer, svi atomi bakra imaju 29 protona. Broj neutrona u jezgru definira izotop tog elementa. Broj elektrona utječe na elektromagnetske osobine atoma. Atom se može spojiti sa jednim ili više drugih atoma putem hemijskih veza gradeći hemijske spojeve u vidu molekula. Sposobnost atoma da se međusobno spajaju i razdvajaju odgovorna je za većinu fizičkih promjena koje se mogu zapaziti u prirodi i predmet je izučavanja hemijskih nauka.
Historija atomske teorije
U filozofiji Ideja da je sva materija sastavljena iz sitnih čestica je vrlo stara ideja, koja se pojavljuje u mnogim drevnim kulturama poput grčke i indijske. Riječ "atom" (, atomos), što znači "nedjeljiv", "koji se ne može rezati", prvi je spomenuo antički grčki filozof Leukip i njegov učenik Demokrit. Demokrit je smatrao da je broj atoma beskonačan, da ne mogu nastati niti nestati, da su vječni te da su osobine nekog predmeta rezultat toga od koje vrste atoma je sastavljen. Demokritov atomizam razradio je i usavršio kasniji filozof Epikur.
Tokom ranog Srednjeg vijeka, na atomizam se gotovo zaboravilo u zapadnoevropskoj filozofiji, ali je "preživio" u radovima nekih islamskih filozofa. Tokom 12. vijeka, u zapadnoj Evropi ponovno se javljaju ideje atomizma, koga su tadašnji evropski filozofi spoznali kroz iznova "otkrivene" Aristotelove radove. U 14. vijeku, ponovna "otkrića" velikih dijela antičkih atomista, uključujući djela Lukrecija De rerum natura i Diogena Laertija Životi i mišljenja eminentnih filozofa, dovela su do povećanja interesovanja za ovu temu. Ipak, pošto je atomizam bio vezan sa filozofijom Epikura, što je bilo u suprotnosti sa ortodoksnim kršćanskim učenjem, vjerovanje u postojanje atoma nije bilo prihvatljivo. Francuski katolički sveštenik Pierre Gassendi (1592–1655) oživio je Epikurov atomizam uz određena prilagođavanja, tako da je tvrdio da je atome kreirao Bog, pa iako ih ima u nezamislivo ogromnom broju, taj broj nije beskonačan. Gassendijeva izmijenjena atomska teorija bila je široko prihvaćena u Francuskoj, a zagovarao ju je i fizičar François Bernier (1620–1688), kao i u Engleskoj gdje se njome bavio filozof Walter Charleton (1619–1707). Hemičar Robert Boyle i fizičar Isaac Newton (1642–1727) branili su postulate atomizma te je on krajem 17. vijeka postao prihvaćena teorija u naučnim krugovima.
Teorije na osnovu dokaza Početkom 19. vijeka, John Dalton je koristio koncept atoma u objašnjavanju teorija zašto elementi uvijek reagiraju u odnosima malih cijelih brojeva (zakon višestrukih proporcija). Naprimjer, postoje dvije vrste oksida kalaja: jedan sa 88,1% kalaja i 11,9% kisika a drugi sa 78,7% kalaja i 21,3% kisika (kalaj(II)-oksid i kalaj-dioksid). To znači da se 100 grama kalaja može spojiti sa 13,5 g ili 27 g kisika. Odnos 13,5 i 27 stoji u proporciji 1:2, tj. proporciji malih cijelih brojeva. Ova općenita šema u hemiji dala je ideju Daltonu da elementi reagiraju višestrukim konačnim jednicama, drugim riječima, atomima. U navedenom primjeru oksida kalaja, jedan atom kalaja spaja se bilo sa jednim ili sa dva atoma kisika.
Dalton je također vjerovao da atomska teorija može objasniti zašto voda apsorbira različite plinove u različitim proporcijama. Naprimjer, on je otkrio da voda apsorbira ugljik-dioksid mnogo bolje nego što apsorbira dušik. Dalton je pretpostavio da je razlog tome razlika između masa i konfiguracija čestica plina, jer su molekule ugljik-dioksida (CO2) teže i veće od molekula dušika (N2).
Brownovo kretanje Godine 1827, botaničar Robert Brown je pomoću mikroskopa posmatrao čestice prašine koje su plutale u vodi i otkrio da su one kretale haotično i bez reda, a taj fenomen je kasnije nazvan "Brownovo kretanje". U to vrijeme smatralo se da molekule vode udaraju u čestice prašine i tako ih pomjeraju. Godine 1905. Albert Einstein je dokazao stvarnost ovih molekula i njihovog kretanja praveći prvu statističku fizikalnu analizu Brownovog kretanja. Na osnovu Einsteinovog rada, francuski fizičar Jean Perrin je eksperimentalno odredio masu i dimenzije atoma, te time nedvosmisleno dokazao Daltonovu atomsku teoriju.
Otkriće elektrona Fizičar J.J. Thomson je mjerio masu katodnih zraka, te dokazao da su one sastavljene iz čestica, ali su one bile oko 1800 puta lakše od najlakšeg poznatog atoma, vodika. Iz toga je zaključeno da to nisu bili atomi nego nove čestice, odnosno prve otkrivene subatomske čestice koje su najprije nazvane korpuskule, da bi kasnije dobile ime elektroni, prema nazivu kojeg je predložio George Johnstone Stoney u svojim radovima iz 1874. godine. Thomson je također dokazao da su to identične čestice onima koje emitiraju fotoelektrični i radioaktivni materijali. Vrlo brzo došlo se do shvatanja da su to čestice koje "prenose" električnu struju u metalnim provodnicima, te unutar atoma nose negativni električni naboj. Thomsonu je 1906. godine za svoj rad dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku. Time je on oborio vjerovanje su atomi nedjeljive, gradivne čestice materije. Međutim, Thomson je postavio pogrešnu teoriju da su negativno naelektrisani elektroni, vrlo male mase, ravnomjerno raspoređeni po atomu kao jednolični sloj negativnog naelektrisanja. Ovaj model atoma postao je poznat pod nazivom "model pudinga od šljiva".
Otkriće atomske jezgre
Godine 1909. Hans Geiger i Ernest Marsden, prema savjetima Ernesta Rutherforda, izvršili su eksperiment bombardiranja metalne folije alfa česticama i mjerili kako se one ponašaju pri sudaru s njom. Prema njihovim pretpostavkama, sve alfa čestice trebale su proći ravno kroz foliju uz nimalo ili vrlo malo rasipanje ili odbijanje, jer je Thomsonov model atoma pretpostavljao da su naelektrisanja u atomu toliko raštrkana da njihova električna polja ne mogu mnogo utjecati na alfa čestice. Međutim, Geiger i Mardsen su uočili da su se neke alfa čestice odbijale od atoma pod uglovima većim od 90°, za šta Thomsonov model nije mogao pružiti nikakvo objašnjenje. Da bi takvu pojavu objasnio, Rutherford je postavio teoriju da su pozitivna naelektrisanja u atomu koncentrirana u malom jezgru u središtu atoma.
Otkriće izotopa Dok je eksperimentirao sa proizvodima radioaktivnog raspada 1913. godine, hemičar Frederick Soddy otkrio je da se u periodnom sistemu javlja više od jedne vrste atoma na svakom mjestu u PSE. Pojam izotop skovala je Margaret Todd kao pogodno ime za različite vrste atoma koji pripadaju istom hemijskom elementu. J.J. Thomson izumio je tehniku separacije izotopa tokom svog rada na proučavanju ioniziranih plinova, što je u konačnici dovelo do otkrića stabilnih izotopa.
Bohrov model desno|thumb|Bohrov model atoma, danas prevaziđen
Godine 1913. fizičar Niels Bohr predložio je model atoma u kojem njegovi elektroni orbitiraju oko jezgra, ali po strogo određenom broju orbita, te da mogu prelaziti između orbita samo uz tačno određenu promjenu energije koja odgovara apsorpciji ili emitiraju fotona. Ova kvantizacija se koristila za objašnjavanje zašto su orbite elektrona stabilne (tj. da nema promjena u ubrzanju njihovog kretanja, uključujući kružno kretanje i gubitak kinetičke energije koja se emitira kao elektromagnetno zračenje) i zašto hemijski elementi apsorbiraju i emitiraju elektromagnetno zračenje u tačno određenom spektru.
Kasnije iste godine Henry Moseley dao je dodatne eksperimentalne dokaze koji su podržali Bohrovu teoriju. Ove rezultate poboljšali su Rutherfordov i Van den Broekov model atoma, koji su predviđali da atom u svom jezgru sadrži određen broj pozitivnih nuklearnih naboja koji su jednaki atomskom broju tog elementa u periodnom sistemu. U vremenu prije tih eksperimenata, za atomski broj se nije smatralo da je fizička ili eksperimentalna količina. Činjenica da nuklearni naboj atoma odgovara atomskom broj, ostala je važeća i kod današnjih teorija modela atoma.
Teorija hemijskih veza Godine 1916. Gilbert Newton Lewis postavio je teoriju o hemijskim vezama između atoma, prema kojoj su one zapravo interakcije između elektrona u tim atomima. Pošto su hemijske osobine elemenata većinom bile poznate i da su se one pretežno ponavljale u skladu periodičnih zakona, tako je 1919. američki hemičar Irving Langmuir postavio teoriju da bi se taj pojava mogla objasniti ako su elektroni u atomu povezani ili na neki način grupisani. Takve grupe elektrona koje "zauzimaju" tačno određeno područje oko jezgra nazvane su elektronske ljuske.
Razvoj kvantne fizike Stern–Gerlachov eksperiment iz 1922. dao je daljnje dokaze o kvantnoj prirodi atomskih osobina. Tokom tog eksperimenta, snop atoma srebra usmjeren je kroz posebno oblikovano magnetno polje, te se on razdvojio na način koji odgovara smjeru ugaonog momenta atoma odnosno spinu. Kako je smjer spina isprva bio nasumičan, očekivalo se da će se snop odbiti u nasumičnom smjeru. Umjesto toga, snop se razdvojio u dvije usmjerene komponente koje odgovaraju stanju da li je atomski spin usmjeren prema dolje ili gore u odnosu na magnetno polje.
Godine 1925. Werner Heisenberg je objavio prvu konzistentnu matematičku formulaciju kvantne mehanike (matrična kvantna mehanika). Godinu ranije, 1924, Louis de Broglie je postavio teoriju da se sve čestice ponašaju i kreću u obliku talasa, pa je tako 1926. Erwin Schrödinger upotrijebio tu ideju za razvoj matematičkog modela atoma (talasna mehanika) kojim je opisao elektrone u obliku trodimenzionalnog talasa umjesto kao do tada u obliku tačkaste čestice.