dreapta|miniatura|201x201px|Actualul model teoretic al atomului implică un nucleu dens, înconjurat de un „nor” probabilistic de electroni. În chimie și fizică, teoria atomică este o teorie științifică a naturii materiei, care afirmă că materia este compusă din unități discrete, numite atomi. A început ca un concept filozofic în Grecia antică și a intrat în repertoriul științific începând cu secolul al XIX-lea, atunci când descoperirile din domeniul chimiei au arătat că materia se comportă, într-adevăr, ca și cum ar fi formată din atomi.
Cuvântul atom provine din adjectivul atomos din greaca veche, care înseamnă „indivizibil”.Berryman, Sylvia, "Ancient Atomism", Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2008 Edition), Edward N. Zalta (ed. Chimiștii secolului al XIX-lea au început să folosească termenul în legătură cu numărul tot mai mare de elemente chimice ireductibile. Pe la începutul secolului al XX-lea, prin diverse experimente cu electromagnetism și radioactivitate, s-a descoperit că așa-numitul „atom indivizibil” este de fapt un conglomerat de diferite particule subatomice (în principal, electroni, protoni și neutroni), care pot exista separat unele de altele. În fapt, în anumite medii extreme, cum ar fi stelele neutronice, temperatura și presiunea extremă împiedică cu totul existența atomilor. Deoarece atomii s-au dovedit a fi divizibili, fizicienii au inventat ulterior termenul de „particule elementare” pentru a descrie părțile „indivizibile”, deși nu indestructibile, ale unui atom. Domeniul științific care studiază particulele subatomice este fizica particulelor, și în acest domeniu fizicienii speră să descopere adevărata natură fundamentală a materiei.
Istoria
Atomismul filosofic Ideea că materia este alcătuită din unități discrete este una foarte veche, care apare în multe culturi antice, cum ar fi Grecia și India. Cu toate acestea, aceste idei se sprijineau pe raționamente filozofice și teologice, mai degrabă decât pe dovezi concrete și pe experimente. Din acest motiv, ele nu puteau convinge pe toată lumea, așa că atomismul a rămas una din mai multele ipoteze concurente cu privire la natura materiei. Abia în secolul al XIX-lea, ideea a fost îmbrățișată și rafinată de către oamenii de știință, știința chimiei, aflată la începuturi, producând descoperiri care puteau fi cu ușurință explicate folosind conceptul de atomi.
John Dalton Aproape de sfârșitul secolului al XVIII-lea, au apărut două legi despre reacțiile chimice, fără a face referire la noțiunea de teoria atomică. Prima a fost legea de conservare a masei, formulată de către Antoine Lavoisier în 1789, care prevede că masa totală într-o reacție chimică rămâne constantă (adică reactanții au aceeași masă ca produsele de reacție). A doua a fost legea proporțiilor definite. Demonstrată pentru prima data de chimistul francez Joseph Louis Proust în 1799,Proust, Joseph Louis. această lege prevede că dacă un compus este descompus în elementele sale constitutive, atunci masele compușilor constituenți vor avea întotdeauna aceleași proporții, indiferent de cantitatea sau de sursa de substanță inițială.
John Dalton a studiat și a extins rezultatul anterior și a dezvoltat legea proporțiilor multiple: dacă două elemente pot fi combinate pentru a forma o serie de compuși, atunci raportul maselor celui de al doilea element care se combină cu o masă fixă din primul element va fi un raport de numere întregi mici. De exemplu: Proust a studiat și a constatat că masele lor sunt fie 88,1% staniu și 11,9% oxigen, fie 78,7% staniu și 21,3% oxigen (acestea fiind oxidul de staniu(II) și, respectiv, ). Dalton a remarcat din aceste procente că 100g de staniu se vor combina fie cu 13,5 g, fie cu 27 g de oxigen; 13,5 și 27 fiind în raport de 1:2. Dalton a constatat că o teorie atomică a materiei ar putea explica elegant acest model comun în chimie. În cazul oxizilor de staniu ai lui Proust un atom de staniu se va combina cu unul sau cu doi atomi de oxigen.
Dalton credea că teoria atomică ar putea explica de ce apa absoarbe gaze diferite în proporții diferite de exemplu, el a constatat că apa absoarbe dioxid de carbon mult mai bine decât absoarbe azot.Dalton, John. Dalton a emis ipoteza că aceasta se datorează diferențelor în masă și complexității particulelor gazelor respective. Într-adevăr, moleculele de dioxid de carbon (CO2) sunt mai grele și mai mari decât moleculele de azot (N2).
Dalton a propus că fiecare element chimic este compus din atomi de un singur tip unic, și, deși acestea nu pot fi modificate sau distruse prin mijloace chimice, ele se pot combina pentru a forma structuri mai complexe (compuși chimici). Acest lucru a marcat prima teorie cu adevărat științifică a atomului, deoarece Dalton a ajuns la concluziile sale prin experimentare și analiză a rezultatelor într-o manieră empirică. dreapta|miniatura|Diverși atomi și molecule, descrise de John Dalton în A New System of Chemical Philosophy (1808). În 1803, Dalton a prezentat oral prima listă de mase atomice relative pentru o serie de substanțe. Acest articol a fost publicat în 1805, dar el nu a discutat acolo exact felul cum a obținut aceste cifre. Metoda a fost descoperită mai întâi în 1807 de cunoștința lui, , în cea de-a treia ediție a manualului acestuia, A System of Chemistry. În cele din urmă, Dalton a publicat o prezentare completă în propria lui carte, A New System of Chemical Philosophy, 1808 și 1810.
Dalton a estimat masele atomice în funcție de raporturile în care se combină masele, cu atomul de hidrogen luat ca unitate. Cu toate acestea, Dalton nu concepea că, la unele elemente, există mai mulți atomi similari în molecule—de exemplu, oxigenul pur există ca O2. De asemenea, el a crezut în mod greșit că cel mai simplu compus între oricare două elemente este întotdeauna cu un atom din fiecare (deci, el a crezut că apa era HO, nu H2O). Acest lucru, în plus față de rudimentaritatea echipamentelor lui, i-au viciat rezultatele. De exemplu, în 1803 el credea că atomii de oxigen sunt de 5,5 ori mai grei decât atomii de hidrogen, pentru că în apă el a măsurat 5,5 grame de oxigen pentru fiecare 1 gram de hidrogen și deci credea că formula apei este HO. Adoptând date mai bune, în 1806 el a concluzionat că masa atomică a oxigenului trebuie să fie de fapt 7, mai degrabă decât 5,5, și a considerat această greutate pentru tot restul vieții sale. Alții, în acel moment, ajunseseră deja la concluzia că atomul de oxigen trebuie să cântărească 8 dacă hidrogenul cântărește 1, presupunând formula lui Dalton pentru molecula de apă (HO), sau 16 dacă se asumă formula modernă a apei (H2O).
Avogadro Defectul teoriei lui Dalton a fost corectat, în principiu, în 1811, de către Amedeo Avogadro. Avogadro a propus că volume egale de gaze, la temperatură și presiune egale, conțin același număr de molecule (cu alte cuvinte, masa particulelor de gaz nu afectează volumul pe care îl ocupă). Legea lui Avogadro i-a permis acestuia să deducă natura diatomică a numeroaselor gaze prin studierea volumelor în care reacționează ele. De exemplu: când doi litri de hidrogen reacționează cu doar un litru de oxigen pentru a produce doi litri de vapori de apă (la presiune și temperatură constantă), înseamnă că o singură moleculă de oxigen se împarte în două, pentru a contribui la formarea a două particule de apă. Astfel, Avogadro a putut oferi estimări mai exacte ale masei atomice a oxigenului și a diverselor altor elemente, și a făcut o distincție clară între molecule și atomi.
Mișcarea browniană În 1827, botanistul englez Robert Brown a observat că particulele de praf din interiorul granulelor de polen plutind în apă se agită în mod constant fără vreun motiv aparent. În 1905, Albert Einstein a teoretizat că această mișcare browniană este cauzată de ciocnirile constante ale granulelor cu molecule de apă, și a dezvoltat un model matematic ipotetic pentru a descrie fenomenul. Acest model a fost validat experimental în anul 1908 de către fizicianul francez Jean Perrin, oferind astfel o validare suplimentară a teoriei particulelor (și, prin extensie, teoriei atomice).
Descoperirea particulelor subatomice S-a crezut că atomii sunt cea mai mică diviziune posibilă a materiei până în 1897, când J. J. Thomson a descoperit electronul lucrând cu razele catodice.
Un tub Crookes este un recipient de sticlă sigilat în care doi electrozi sunt separate de vid. Atunci când la electrozi este aplicată o diferență de potențial, se generează razele catodice, creând o zonă strălucitoare acolo unde lovesc sticla la capătul opus al tubului. Experimental, Thomson a descoperit că razele ar putea fi deviate de un câmp electric (pe lângă câmpurile magnetice, fapt deja cunoscut). El a concluzionat că aceste raze, în loc să fie o formă de lumină, sunt de fapt compuse din particule foarte ușoare încărcate negativ, pe care le-a numit „corpusculi” (care mai târziu aveau să fie numite „electroni” de către alți oameni de știință). El a măsurat raportul masă-sarcină electrică și a descoperit că era de 1800 de ori mai mic decât cea a hidrogenului, cel mai mic atom. Acești corpusculi erau o particulă cu totul diferită de cele cunoscute anterior.
Thomson a sugerat că atomii sunt de fapt divizibili, și că corpusculii sunt elementele lor componente. Pentru a explica faptul că atomul ste per ansamblu neutru din punct de vedere electric, el a avansat ipoteza că corpusculi sunt distribuiți într-o mare uniformă de sarcini pozitive; acesta a fost modelul budincii de prune, în care electronii erau încorporați în sarcini pozitive ca prunele într-o budincă de prune (deși în modelul lui Thomson, ei nu erau staționari).
Descoperirea nucleului dreapta|miniatura|400x400px|Experimentul Geiger-Marsden Stânga: rezultatele așteptate: particulele alfa trec prin atomul modelat ca o budincă de prune cu devieri neglijabile. Dreapta: rezultatele observate: o mică parte din particule sunt deviate de sarcina pozitivă concentrată în nucleu. Modelul lui Thomson a fost infirmat în 1909 de către unul dintre foștii săi studenți, Ernest Rutherford, care a descoperit că majoritatea masei și sarcinii pozitive a atomului este concentrată într-o foarte mică fracțiune din volumul său, într-o zonă care el a presupus că se află în centru.
În , Hans Geiger și (colegi ai lui Rutherford care lucrau la sugestia lui), au propulsat particule alfa către foi subțiri de metal și au măsurat deformarea lor prin utilizarea unui ecran fluorescent. Dată fiind masă foarte mică a electronilor, impulsul mare al particulelor alfa și concentrația scăzută a sarcinii pozitive în modelul budincii de prune, experimentatorii se așteptau ca toate particulele alfa să treacă prin folia metalică fără devieri semnificative. Spre surprinderea lor, o fracțiune mică din particulele alfa au fost puternic deviate. Rutherford a concluzionat că sarcina pozitivă a atomului trebuie să fie concentrată într-un volum foarte mic care produce un câmp electric suficient de intens pentru a devia particulele alfa atât de puternic.
Aceasta l-a condus pe Rutherford să propună un model planetar în care un nor de electroni înconjoară un nucleu mic și compact de sarcină pozitivă. Numai o asemenea concentrare de sarcină ar putea produce câmpuri electrice suficient de puternice pentru a provoca puternicele devieri.
Primii pași spre un model cuantic al atomului Modelul planetar al atomului a avut două deficiențe semnificative. Primul era că, spre deosebire de planetele care orbitează în jurul unui soare, electronii sunt particule încărcate. O sarcină electrică în accelerație se știe că emite unde electromagnetice potrivit din electromagnetismul clasic. O sarcină aflată pe orbită ar trebui să piardă în mod constant energie și să cadă în spirală spre nucleu, ciocnindu-se cu el într-o mică fracțiune de secundă. Cea de-a doua problemă a fost că modelul planetar nu putea explica emisiile și spectrele de absorbție ale atomilor care au fost observate. dreapta|miniatura|Modelul Bohr al atomului