Atom (z řeckého ἄτομος, átomos – nedělitelný) je nejmenší částice běžné hmoty, částice, kterou už chemickými prostředky dále nelze dělit (ovšem fyzikálními ano – viz např. jaderná reakce) a která definuje vlastnosti daného chemického prvku. Atom se skládá z atomového jádra obsahujícího protony a neutrony a obalu obsahujícího elektrony. Elektrony se v atomu mohou vyskytovat na jednotlivých energických hladinách (též vrstvách) v jednotlivých orbitalech v podobě pravděpodobnosti, a jsou v atomu drženy přitažlivou elektromagnetickou silou mezi jimi a protony. Hadrony v jádře – protony a neutrony se pak zkládají z kvarků. Jádro je pohromadě drženo silnou jadernou interakcí jejímiž zprostředkovateli jsou gluony.
Historický vývoj atomové teorie Antický filosofický atomismus První představy o atomu pocházejí z antického Řecka, ve kterém v 5. století př. n. l. Démokritos představil filozofickou teorii – atomismus, podle které nelze hmotu dělit do nekonečna, neboť na nejnižší úrovni existují dále nedělitelné částice, které označil slovem atomos (ἄτομος). Podle této teorie je veškerá hmota složena z různě uspořádaných atomů různého druhu, které jsou nedělitelné, přičemž je nelze vytvářet ani ničit. Navíc se objevuje i myšlenka existence prázdného prostoru, kterým se mohou atomy pohybovat.http://www.osel.cz/10700-demokritos-jen-atomy-a-prazdno.html - Démokritos: Jen atomy a prázdno Teorie byly podpořeny autoritou zastánců, ne experimenty, proto se spíše prosadila Aristotelem zastávané složení světa ze čtyř esencí neboli elementů (živlů) a páté kvintesence neboli vševyplňujícího éteru. A horror vacui, „strach z prázdna“, tedy že příroda nedovolí prázdný prostor.
Novověká chemická teorie atomu Antické představy a např. alchymistickou představu transmutace kovů (výrobu zlata) vyvrátily až experimenty v novověku. Torricelliho a Guerickeho pokusy prokázaly existenci vakua, také Newton dovozoval, že pohyb vesmírných těles se řídí zákony mechaniky a nejsou ovlivňovány prostředím, jako pohyby těles v atmosféře na Zemi.
Podmínky k teorii atomů položily základy chemie koncem 18. století a nahrazení mylné teorie elementů-živlů, které jsou v podstatě skupenstvím, teorií elementů-prvků. Lavoisier z experimentů odvodil, že se při chemických reakcí zachovává hmotnost, a z toho dále odvodil, že hmota nevzniká ani nezaniká, jen mění své složení. To dalo teoretický základ k chemickému rozkladu neboli analýze (řecká předpona ana- a lysis „osvobození, odloučení“) sloučenin, tedy rozložení látek na dále nedělitelné elementy, česky prvky, například pyrolýza (pyros „oheň“) vody ji působením tepla rozloží na vodík a kyslík. Proust vážením prvků obsažených ve sloučeninách v roce 1797 došel k závěru, že sloučeniny obsahují prvky v pevně daném poměru.
John Dalton obdobnými pokusy s prvky, které spolu tvoří více sloučenin, odvodil pravidlo, že poměry prvků lze vyjádřit jako násobky malých celých čísel. Tento jev roku 1808 vysvětlil teorií atomů, že prvky jsou tvořeny stejnými, velmi malými částicemi a ve sloučeninách jsou prvky zastoupeny poměrným množstvím svých atomů. Avogadro roku 1811 zavedl termín molekula pro volné částice tvořící plyn, které se skládají z atomů daného poměru vzájemně k sobě silově vázaných. Berzelius roku 1813 pro poměr atomů zavedl dodnes užívaný vzorec, kde jsou zkratky latinských názvů prvků doplněny číslem udávajícím počet atomů daného prvku.
Atomová teorie 19. století byl dodnes užitečný model pro vysvětlení chemických reakcí, ale nebyla známa fyzikální podstata samotných atomů. Např. nebyla známa hmotnost jednotlivých atomů, místo toho se užívala relativní hmotnost, hmotnostní poměr atomů různých prvků. Bylo zjištěno, že s růstem relativní hmotnosti atomů se periodicky opakuje např. valence (schopnost tvořit vazby), ale nebylo známo, že je to růstem nukleonů a s tím spojeným měnícím se počtem valenčních elektronů. Ještě na začátku 20. století tak atomy nebyly všeobecně přijímány jako fyzikální realita, tedy že hmota není spojitá (kontinuum) a že je tvořena diskrétními, prostorově oddělenými částicemi.
Thomsonův (pudinkový) model atomu
Teorii o nedělitelných atomech (přesněji částicích, které atomy nazval Dalton) však v roce 1897 vyvrátil J. J. Thomson, který při studiu katodového záření objevil elektron — tedy první subatomární částici. Na základě tohoto objevu vytvořil tzv. Thomsonův model atomu (též pudinkový model), který předpokládal, že atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladně nabitou hmotou, ve které jsou (jako rozinky v pudinku) rozptýleny záporně nabité elektrony.
Rutherfordův (planetární) model atomu
náhled|Rutherfordův model atomu Thomsonův model překonal na v roce 1911 Ernest Rutherford, který analýzou experimentů Geigera a Marsdena dokázal, že většina hmoty s kladným nábojem je umístěna ve velmi malém prostoru ve středu atomu.E. Rutherford, The Scattering of and Particles by Matter and the Structure of the Atom, Philos. Mag, 6 (1911) 21, PDF To ho vedlo k Rutherfordově modelu, podle kterého se atom skládá z kladně nabitého hutného jádra, kolem kterého obíhají záporně nabité elektrony obdobně jako planety obíhají Slunce (proto se tento model nazývá též planetární model atomu). Později také zjistil, že jádro atomu vodíku je nejjednodušším jádrem, které je tvořeno jedinou částicí, přičemž tato částice je obsažena také v jádrech ostatních atomů. Tato částice se nazývá proton. V roce 1932 pak James Chadwick objevil neutron, který se v jádře nachází spolu s protony.
Planetární model však trpěl mnoha zásadními nedostatky: například podle všech známých zákonů by elektricky nabité těleso (elektron) obíhající po kruhové či eliptické dráze muselo vysílat elektromagnetické záření, čímž by ztrácelo energii a ve velmi krátkém čase by se všechny elektrony spirálovitě zřítily do atomových jader.
Bohrův-Sommerfeldův model atomu náhled|Bohrův model atomu
Zásadní problémy Rutherfordova modelu překonala až nová kvantová teorie, podle které je elektromagnetické záření vysíláno i pohlcováno po nedělitelných množstvích, kvantech. V roce 1913 vytvořil Niels Bohr podle této teorie Bohrův model atomu. Podle tohoto modelu obíhají elektrony atomové jádro jen na některých dovolených kruhových drahách, přičemž nemohou vyzařovat a spirálovitě padat do jádra, protože mezilehlé dráhy nejsou možné a vyzařování energie není spojité, mohou pouze za určitých podmínek jednorázovými změnami „přeskočit“ z jedné energetické hladiny do jiné.
Bohrův model byl navržen ad hoc, byl poměrně komplikovaný, ale dokázal předpovědět několik důležitých faktů o atomových spektrech. V některých ohledech však stále selhával (např. vysvětlení štěpení spektrálních čar). Bohrův model je stále založen na klasické fyzice, na rozdíl od planetárního modelu však doplnil některé postuláty, kterými se pokusil odstranit rozpory planetárního modelu. Jedná se tedy o soubor uměle definovaných fenomenologických tvrzení, o kterém byl samotný Bohr přesvědčen, že nemůže být konečným vysvětlením. Bohrovy postuláty však byly jedním z podstatných podnětů, které iniciovaly vznik kvantové teorie — nového teoretického základu, ze kterého postuláty přirozeně vyplývají.
Arnold Sommerfeld doplnil Bohrův model o vybrané eliptické dráhy oběhu elektronů a přidal příslušné postuláty. Umožnil tak dílčí vysvětlení pro rozštěpení některých spektrálních linií a některé změny spekter v magnetickém poli.
Kvantověmechanický model atomu Moderní kvantověmechanický model atomu vznikl na základě de Broglieho teorie částicových vln a následné Schrödingerovy práce, v níž představil tzv. Schrödingerovu rovnici, podle které elektron (stejně jako všechny ostatní částice) není popisován jako hmotný bod, ale jako vlnová funkce definující pravděpodobnosti výskytu elektronu v různých místech prostoru. Spolu s Heisenbergovými relacemi neurčitosti to znamená, že mechanistické eliptické dráhy Bohrova-Sommerfeldova modelu byly opuštěny a nahrazeny neostře definovanými oblastmi, ve kterých se elektron s určitou pravděpodobností nalézá, tzv. orbitaly.
Model založený na Schrödingerově kvantové mechanice dokázal vysvětlit mnoho atomových vlastností, které byly dřívějšími teoriemi nepředpověditelné (např. pravděpodobnosti přechodů a tedy intenzity spektrálních čar). Některé jevy v jemné struktuře spekter se však pomocí něho vysvětlit nepodařilo.
K přesnějšímu vystižení vlastností atomového obalu je potřeba relativistická kvantová mechanika. Chování elektronů tak lépe popisuje relativistická Diracova rovnice, ze které přirozeně vyplývají i korekce k Schrödingerovu modelu, mající původ v relativistické změně hmotnosti a v interakci spinů elektronů (přesněji jejich magnetických polí) ve víceelektronových atomových obalech. Podobně Kleinova–Gordonova rovnice popisuje vlastnosti exotických mezoatomů, jejichž atomový obal je tvořený mezony (zpravidla záporné piony).
Složení atomu
Přestože podle jména je atom „nedělitelný“, ve skutečnosti jej lze rozložit na menší složky, někdy označované jako subatomární částice: elektrony jsou záporně nabité částice, které se nacházejí v atomovém obalu, ze kterého je lze relativně snadno vyjmout a vytvořit tím nabitý iont (viz ionizace); ve středu atomu je atomové jádro obsahující tzv. nukleony (jádro zabírá jen nepatrnou část atomu, ale tvoří naprostou většinu jeho hmotnosti): protony jsou kladně nabité částice, zhruba 1836krát hmotnější než elektrony, neutrony jsou elektricky neutrální částice, jen o trochu hmotnější než protony.
Elektrony jsou k atomovému jádru vázány elektromagnetickou silou zprostředkovávanou fotony. Protony a neutrony v jádře jsou navzájem vázány jadernou silou zprostředkovanou gluony.
Samotné protony a neutrony se ještě skládají z kvarků.
Druhy atomů Různé atomy se liší svým složením: počtem jednotlivých částic. Atomy různých prvků se liší svým atomovým číslem, které vyjadřuje počet protonů v jádře (např. atom se šesti protony je atomem uhlíku; počet elektronů v obalu je u běžného elektricky neutrálního atomu shodný s počtem protonů v jádře). Atomy jednoho prvku se mohou lišit počtem neutronů v jádře (tzv. nukleonovým číslem), čímž tvoří různé izotopy (např. atom s šesti protony a osmi neutrony je izotop uhlík 14, 14C). Pokud se z elektricky neutrálního atomu vyjme elektron (nebo se naopak do něj vloží), vznikne nabitý iont.
Je známo asi 256 druhů atomů (nuklidů), které jsou stabilní, a mnoho dalších, jejichž jádra jsou nestabilní a samovolně se radioaktivně rozpadají.
Exotické druhy
V atomovém jádře může být nukleon nahrazen hyperonem, zpravidla hyperonem Λ. Jedná se pak o atom s hyperjádrem.
Elektron v atomovém obalu může být nahrazen mionem (nebo lehčím záporně nabitým mezonem, např. pionem). Takový atom se pak nazývá mioatomem (resp. mezoatomem). Vzhledem k větší hmotnosti je klasický Bohrův poloměr mioatomu mnohem menší, mion je vázán těsněji a je vysoká pravděpodobnost záchytu mionu jádrem (obdoba záchytu elektronu u radioaktivní přeměny beta). Atomové orbitaly mezoatomů se liší nejen kvůli odlišné hmotnosti, ale také tím, že k popisu kvantověmechanického chování mezonu v obalu je nutno použít Kleinovu–Gordonovu rovnici (na rozdíl od Diracovy rovnice pro elektron). Také jádro (proton u atomu lehkého vodíku) může být také nahrazeno antimionem nebo kladně nabitým mezonem – v r. 2016 tak např. byla prokázána existence exotických atomů složených z pionu a kaonu (jak K+π− tak π+K−).
Někdy bývá za exotický atom považováno i tzv. pozitronium, vázaná soustava pozitronu a elektronu, a mionium, název nesystematicky používaný jak pro soustavu antimionu a elektronu, tak antimionu a mionu. Ve všech těchto případech kladně nabitý antilepton nahrazuje klasické atomové jádro.