Un àtom és la unitat constituent més petita de la matèria ordinària que forma un element químic. Tot sòlid, líquid, gas i plasma es compon d'àtoms. Els àtoms són extremament petits i tenen una mida d'aproximadament 100 picòmetres. De fet, són tan diminuts que els intents de predir-ne el comportament per mitjà de la física clàssica (tractant-los, per exemple, com si fossin boles de billar) menen a prediccions incorrectes a causa dels efectes quàntics. Gràcies al desenvolupament de la física, els models atòmics han integrat principis quàntics per poder explicar aquest comportament i predir-lo amb més precisió.
Tot àtom està compost per un nucli i un o més electrons lligats al nucli. El nucli està fet d'un o més protons i, típicament, un nombre similar de neutrons; els protons i neutrons s'anomenen nucleons. Més del 99,94% de la massa de l'àtom està concentrada al nucli. Els protons tenen una càrrega elèctrica positiva; els electrons, negativa; i els neutrons no en tenen. Si el nombre de protons i electrons és el mateix, llavors l'àtom és elèctricament neutre; en canvi, si té més o menys electrons que protons, té una càrrega negativa o positiva (respectivament) i s'anomena ió.
Els electrons d'un àtom resulten atrets als protons del nucli atòmic per la força electromagnètica. Els protons i neutrons del nucli s'atrauen entre si, però, per una força diferent, la força nuclear, que normalment és més forta que la força electromagnètica que repel·leix els protons carregats positivament entre si. En algunes circumstàncies, la força electromagnètica de repulsió esdevé més forta que la nuclear, i els nucleons poden resultar expulsats del nucli, deixant enrere un element diferent: es tracta d'una desintegració nuclear que resulta en una transmutació nuclear.
El nombre de protons del nucli defineix a quin element químic pertany l'àtom: per exemple, tots els àtoms de coure contenen 29 protons. El nombre de neutrons, d'altra banda, defineix l'isòtop de l'element. El nombre d'electrons influeix en les propietats magnètiques de l'àtom. Els àtoms es poden unir a un o més altres àtoms mitjançant enllaços químics per formar compostos químics com ara les molècules. La capacitat dels àtoms d'associar-se o dissociar-se és la responsable de la majoria de canvis físics observats a la naturalesa; la química és la ciència que estudia aquests canvis.
Història de la teoria atòmica
Els àtoms a la filosofia
La idea que la matèria està composta d'unitats separades és un concepte molt antic i que apareix en moltes cultures de l'antiguitat, tals com a Grècia o l'Índia. La paraula «àtom» (del grec ἄτομος, atomos, 'indivisible') fou encunyada pels filòsofs de l'Antiga Grècia Leucip i el seu deixeble Demòcrit (ca. 460–ca. 370 aC). Demòcrit sostenia que els àtoms eren infinits en nombre, no creats i eterns, i que les qualitats d'un objecte resultaven de la mena d'àtoms que el componien. L'atomisme de Demòcrit fou refinat i elaborat pel filòsof posterior Epicur (341–270 aC). Durant la baixa edat mitjana, l'atomisme fou gairebé oblidat a l'Europa occidental, però sobrevisqué dins d'alguns grups de filòsofs islàmics. Durant el , l'atomisme tornà a ser conegut a l'Europa occidental gràcies a referències trobades en les escriptures descobertes d'Aristòtil.
En el , la redescoberta d'obres notables que descrivien ensenyances atomistes –entre les quals De rerum natura, de Lucreci, i Vides i opinions de filòsofs eminents, de Diògenes Laerci– comportà una major atenció del tema. Tanmateix, com que l'atomisme s'associava amb la filosofia de l'epicureisme, la qual contradeia les ensenyances cristianes ortodoxes, la creença en els àtoms no era considerada acceptable. El sacerdot catòlic francès Pierri Gassendi (1592–1655) revisqué l'atomisme epicuri amb modificacions, argüint que els àtoms eren creats per Déu i, encara que extremadament nombrosos, no eren infinits. La seva teoria modificada es popularitzà a França gràcies al físic François Bernier (1620–1688) i a Anglaterra gràcies al filòsof naturalista Walter Charleton (1619–1707). Tant el químic Robert Boyle (1627–1691) com el físic Isaac Newton (1642–1727) definiren l'atomisme i, a finals del , esdevingué acceptat per sectors de la comunitat científica.
Primera teoria basada en l'evidència miniatura|Diversos àtoms i molècules tal com es mostren a l'obra A New System of Chemical Philosophy de John Dalton (1808). A primeries del , John Dalton utilitzà el concepte dels àtoms per explicar per què els elements químics sempre reaccionen en proporcions de petits nombres enters (la llei de les proporcions múltiples). Per exemple, existeixen dos tipus d'òxid d'estany: un és 88,1% estany i 11,9% oxigen, i l'altre és 78,1% estany i 21,3% oxigen (òxid d'estany(II) i diòxid d'estany, respectivament): això significa que 100 grams d'estany es combinen amb 13,5 grams o 27 grams d'oxigen. 13,5 i 27 formen una proporció d'1 a 2, que és una proporció de petits nombres enters. Aquest patró comú en química suggerí a Dalton que els elements reaccionen en múltiples d'unitats discretes: és a dir, en altres paraules, àtoms. En el cas dels òxids d'estany, un àtom d'estany es combina amb un o bé dos àtoms d'oxigen.
Dalton també creia que la teoria atòmica podia explicar per què l'aigua absorbeix diferents gasos en diferents proporcions; per exemple, descobrí que l'aigua absorbeix diòxid de carboni molt millor que no pas nitrogen.Dalton, John. "On the Absorption of Gases by Water and Other Liquids", in Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester. 1803. Retrieved on August 29, 2007. Dalton hipotetitzà que això passa a causa de la diferència entre les masses i les configuracions de les partícules de cada gas; les molècules de diòxid de carboni (CO₂) són més grans i pesades que les de nitrogen (N₂).
Moviment brownià El 1827, el botànic Robert Brown utilitzà un microscopi per observar grans de pols flotant a l'aigua i descobrí que es movien erràticament, un fenomen que posteriorment es conegué com a moviment brownià. Es creia que això era causat per molècules d'aigua col·lidint amb els grans de pols. El 1905, Albert Einstein provà la realitat d'aquestes molècules i els seus moviments produint el primer anàlisi de física estadística del moviment brownià. El físic francès Jean Perrin utilitzà l'obra d'Einstein per determinar experimentalment la massa i dimensió dels àtoms, verificant així la teoria atòmica de Dalton.
Descobriment de l'electró miniatura|L'experiment de Geiger–Marsden A dalt, resultats esperats: partícules alfa passant a través del model atòmic de Thomson (o model del púding de panses) amb una deflexió negligible. A baix, resultats observats: una petita porció de les partícules és deflectada per la càrrega positiva concentrada del nucli. El físic J.J. Thomson mesurà la massa de raigs catòdics, cosa que mostrà que estaven fets de partícules, però eren unes 1800 vegades més lleugeres que el més lleuger dels àtoms, l'hidrogen. Per tant, no es tractava d'àtoms, sinó d'una nova partícula, concretament de la primera partícula subatòmica mai descoberta, que ell anomenà corpuscle però que posteriorment s'anomenà electró a causa de les partícules postulades per George Johnstone Stoney el 1874. També mostrà que eren idèntiques a partícules emeses per materials fotoelèctrics i radioactius. Es reconegué ràpidament que són les partícules que porten el corrent elèctric en fils metàl·lics, i que porten la càrrega elèctrica negativa dins dels àtoms. Thomson rebé el Premi Nobel de Física de 1906 pel seu treball, el qual donà la volta a la creença que els àtoms eren indivisibles i les partícules més bàsiques de la matèria. Thomson també postulà incorrectament que els electrons de petita massa i carregats negativament estaven distribuïts al voltant de l'àtom en un mar uniforme de càrrega positiva. Això esdevingué conegut com el model del púding de panses.
Descobriment del nucli
El 1909, Hans Geiger i Ernest Marsden, sota la direcció d'Ernest Rutherford, bombardejaren una làmina de metall amb partícules alfa per observar com es dispersaven. Esperaven que totes passessin directament a través seu amb poca deflexió, ja que el model de Thomson deia que les càrregues a l'àtom són tan difuses que els seus camps elèctrics no podien afectar gaire les partícules; tanmateix, Geiger i Marsden observaren partícules alfa que eren desviades amb angles superiors a 90°, cosa que se suposava que era impossible segons el model de Thomson. Per explicar-ho, Rutherford proposà que la càrrega positiva de l'àtom es concentra en un petit nucli al seu centre.
Descobriment dels isòtops Mentre experimentava amb els productes de la desintegració radioactiva, el 1913 el radioquímic Frederick Soddy descobrí que aparentment hi havia més d'un tipus d'àtom a cada posició de la taula periòdica. El terme «isòtop» fou encunyat per Margaret Todd per representar diferents àtoms que pertanyen al mateix element químic. J.J. Thomson creà una tècnica per a la separació d'isòtops durant el seu treball sobre els gasos ionitzats, la qual conduí a la descoberta dels isòtops estables.
Model de Bohr miniatura|El model atòmic de Bohr, amb un electró fent «salts quàntics» instantanis d'una òrbita a una altra. Aquest model és actualment obsolet.
El 1913 el físic Niels Bohr proposà un model en el qual s'assumia que els electrons d'un àtom orbitaven al voltant del nucli però només ho podien fer en un conjunt finit d'òrbites, i que podien saltar entre aquestes òrbites només en canvis discrets d'energia corresponents a l'absorció o radiació d'un fotó. Aquesta quantització fou utilitzada per explicar per què les òrbites electròniques són estables (ja que normalment les càrregues en acceleració, incloent-hi el moviment circular, perden energia cinètica, que és emesa com a radiació electromagnètica; vegeu Radiació sincrotrònica) i per què els elements absorbeixen i emeten radiació electromagnètica en espectres discrets.
Més tard, el mateix any, Henry Moseley trobà evidència experimental addicional a favor de la teoria de Niels Bohr. Aquests resultats refinaren el model de Rutherford i Van de Broek, que proposava que l'àtom conté en el seu nucli un nombre positiu de càrregues nuclears que és igual al seu nombre (atòmic) a la taula periòdica. Fins aquests experiments, no se sabia que el nombre atòmic fos una quantitat física i experimental; que aquest nombre és igual a la càrrega atòmica nuclear roman el model atòmic acceptat avui en dia.
Explicació de l'enllaç químic Els enllaços químics entre àtoms foren explicats per Gilbert Newton Lewis el 1916 com les interaccions entre els seus electrons constituents. Com que se sabia que les propietats químiques dels elements en gran manera es repetien segons la llei periòdica, el 1919 el químic estatunidenc Irving Langmuir suggerí que això podia ser explicat si els electrons d'un àtom estiguessin connectats o agrupats d'alguna manera. Es pensà que grups d'electrons ocupaven un conjunt de capes d'electrons al voltant del nucli.
Desenvolupaments posteriors en física quàntica L'experiment de Stern–Gerlach de 1922 aportà més evidència sobre la naturalesa quàntica de les propietats atòmiques. Quan un feix d'àtoms de plata passava a través d'un camp magnètic d'una forma concreta, el feix es dividia d'una manera correlacionada amb el moment angular de la direcció d'un àtom, és a dir, l'espín. Com que la direcció de l'espín inicialment és aleatòria, s'esperaria que el feix es desviés en una direcció aleatòria; ben al contrari, el feix es dividia en dos components direccionals corresponents als espíns atòmics essent orientats amunt o avall respecte al camp magnètic.