Teoria atomowa jest naukowym opisem natury atomy i materia który łączy elementy fizyki, chemii i matematyki. Według współczesnej teorii materia składa się z drobnych cząstek zwanych atomami, które z kolei są zbudowane cząstki elementarne. Atomy danego element są identyczne pod wieloma względami i różnią się od atomów innych pierwiastków. Atomy łączą się w ustalone proporcje tworząc inne atomy molekuły i związki.
Teoria ewoluowała z czasem, od filozofii atomizmu po nowoczesną mechanikę kwantową. Oto krótka historia teorii atomu:
Teoria atomowa powstała jako koncepcja filozoficzna w starożytnych Indiach i Grecji. Słowo „atom” pochodzi od starożytnego greckiego słowa atomos, co oznacza niepodzielne. Według atomizmu materia składa się z odrębnych cząstek. Teoria ta była jednak jednym z wielu wyjaśnień dotyczących materii i nie była oparta na danych empirycznych. W piątym wieku pne Demokryt zaproponował, że materia składa się z niezniszczalnych, niepodzielnych jednostek zwanych atomami. Rzymski poeta Lukrecjusz nagrał ten pomysł, więc przetrwał on przez mroczne wieki do późniejszego rozważenia.
Do końca XVIII wieku nauka dostarczyła konkretnych dowodów na istnienie atomów. W 1789 r. Antoine Lavoisier sformułował prawo zachowania masy, które stwierdza, że masa produktów reakcji jest taka sama jak masa reagentów. Dziesięć lat później Joseph Louis Proust zaproponował prawo o określonych proporcjach, które stwierdza, że masy pierwiastków w związku występują zawsze w tej samej proporcji.
Teorie te jeszcze nie odwoływały się do atomów John Dalton zbudowane na nich w celu opracowania prawa wielu proporcji, które stwierdza, że stosunki mas pierwiastków w złożeniu są małymi liczbami całkowitymi. Prawo wielu proporcji Daltona pochodzi z danych eksperymentalnych. Zaproponował, aby każdy pierwiastek chemiczny składał się z jednego rodzaju atomu, którego nie można zniszczyć żadnymi środkami chemicznymi. Jego ustna prezentacja (1803) i publikacja (1805) zapoczątkowały naukową teorię atomową.
W 1811 r. Amedeo Avogadro naprawił problem z teorią Daltona, gdy zaproponował, że równe objętości gazów o tej samej temperaturze i ciśnieniu zawierają tę samą liczbę cząstek. Prawo Avogadro umożliwiło dokładne oszacowanie mas atomowych pierwiastków i wyraźne rozróżnienie między atomami i cząsteczkami.
Kolejny znaczący wkład w teorię atomową wniósł w 1827 r. Botanik Robert Brown, który zauważył, że cząsteczki pyłu unoszące się w wodzie wydają się poruszać losowo bez żadnego znanego powodu. W 1905 r. Albert Einstein postulował, że ruch Browna był spowodowany ruchem cząsteczek wody. Model i jego walidacja w 1908 r. Przez Jeana Perrina wspierały teorię atomową i teorię cząstek.
Do tego momentu uważano, że atomy są najmniejszymi jednostkami materii. W 1897 r. J.J. Thomson odkrył elektron. Uważał, że atomy można podzielić. Ponieważ elektron niesie ładunek ujemny, zaproponował śliwkowy model budyniowy atomu, w którym elektrony zostały osadzone w masie ładunku dodatniego w celu uzyskania elektrycznie obojętnego atomu.
Ernest Rutherford, jeden ze studentów Thomsona, obalił model puddingu śliwkowego w 1909 roku. Rutherford stwierdził, że dodatni ładunek atomu i większość jego masy znajdowała się w centrum lub jądrze atomu. Opisał model planetarny, w którym elektrony krążą wokół małego, naładowanego dodatnio jądra.
Rutherford był na dobrej drodze, ale jego model nie potrafił wyjaśnić widm emisji i absorpcji atomów, ani dlaczego elektrony nie uderzyły w jądro. W 1913 r. Niels Bohr zaproponował model Bohra, który stwierdza, że elektrony krążą wokół jądra tylko w określonych odległościach od jądra. Według jego modelu elektrony nie mogły spiralnie wkroczyć do jądra, ale mogły dokonywać skoków kwantowych między poziomami energii.
Model Bohra wyjaśnił linie widmowe wodoru, ale nie rozciągał się na zachowanie atomów z wieloma elektronami. Kilka odkryć poszerzyło wiedzę o atomach. W 1913 r. Frederick Soddy opisał izotopy, które były formami atomu jednego pierwiastka, który zawierał różną liczbę neutronów. Neutrony odkryto w 1932 r.
Louis de Broglie zaproponował falowe zachowanie poruszających się cząstek, które Erwin Schrödinger opisał za pomocą równania Schrödingera (1926). To z kolei doprowadziło do zasady nieoznaczoności Wernera Heisenberga (1927), która stwierdza, że nie jest możliwe jednoczesne poznanie zarówno pozycji, jak i pędu elektronu.
Mechanika kwantowa doprowadziła do teorii atomowej, w której atomy składają się z mniejszych cząstek. Elektron można potencjalnie znaleźć w dowolnym miejscu w atomie, ale z największym prawdopodobieństwem znajduje się na poziomie orbity atomowej lub na poziomie energii. Współczesna teoria atomowa opisuje okrągłe orbity modelu Rutherforda zamiast orbitali, które mogą być kuliste, w kształcie hantli itp. W przypadku atomów o dużej liczbie elektronów wchodzą w grę efekty relatywistyczne, ponieważ cząsteczki poruszają się z ułamkiem prędkości światła.
Współcześni naukowcy odkryli mniejsze cząstki, które tworzą protony, neutrony i elektrony, chociaż atom pozostaje najmniejszą jednostką materii, której nie można podzielić za pomocą środków chemicznych.