Eines der ersten Attribute von Atomen, die beschrieben wurden, war das relative Atomgewicht. Obwohl ein einzelnes Atom zu klein war, um es zu wiegen, konnten Atome miteinander verglichen werden. Der Chemiker Jons Berzelius nahm an, dass gleiche Volumina von Gasen bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von Atomen enthielten. Er benutzte diese Idee, umDie Entwicklung der Atomtheorie. Illustration von Hans & Cassidy. Mit freundlicher Genehmigung der Gale Group.vergleichen Sie die Gewichte der reagierenden Gase. Er konnte feststellen, dass beispielsweise Sauerstoffatome 16-mal schwerer waren als Wasserstoffatome. Er machte eine Liste dieser relativen Atomgewichte für so viele Elemente, wie er wusste. Er entwickelte Symbole für die Elemente, indem er den ersten Buchstaben oder die ersten beiden Buchstaben ihrer lateinischen Namen verwendete, Ein System, das heute noch verwendet wird. Das Symbol für Wasserstoff ist H, für Sauerstoff ist O, für Natrium (Natrium, lateinisch) ist Na und so weiter. Die Symbole erwiesen sich auch als nützlich, um zu beschreiben, wie viele Atome sich zu einem Molekül einer bestimmten Verbindung verbinden. Um beispielsweise zu zeigen, dass Wasser aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht, ist das Symbol für Wasser H2O. Ein Sauerstoffatom kann sich sogar mit einem anderen Sauerstoffatom verbinden, um ein Sauerstoffmolekül mit dem Symbol O2 zu erzeugen .

Da immer mehr Elemente entdeckt wurden, wurde es praktisch, sie in Symbolform in einem Diagramm aufzulisten. Im Jahr 1869 listete Dmitri Mendelejew die Elemente in der Reihenfolge des zunehmenden Atomgewichts auf und gruppierte Elemente, die ähnliche chemische Reaktionen zu haben schienen. Zum Beispiel sind Lithium (Li), Natrium (Na) und Kalium (K) alle metallischen Elemente, die in Flammen aufgehen, wenn sie nass werden. Ähnliche Elemente wurden in derselben Spalte seines Diagramms platziert. Mendelejew begann ein Muster unter den Elementen zu sehen, bei dem jedes achte Element auf der Atomgewichtsliste derselben Spalte angehören würde. Aufgrund dieser Periodizität oder des sich wiederholenden Musters wird Mendelejews Diagramm als „Periodensystem der Elemente“ bezeichnet.“ Der Tisch war in der Tat so regelmäßig, dass Mendelejew, als es ein „Loch“ in der Tabelle gab, vorhersagte, dass schließlich ein Element entdeckt werden würde, um den Platz zu füllen. Zum Beispiel gab es einen Raum für ein Element mit einem Atomgewicht von etwa 72 (72 mal schwerer als Wasserstoff), aber kein bekanntes Element. 1886, 15 Jahre nach seiner Vorhersage, wurde das Element Germanium (Ge) isoliert und mit einem Atomgewicht von 72,3 gefunden. Auf diese Weise wurden weiterhin viele weitere Elemente vorhergesagt und gefunden. Als jedoch mehr Elemente zum Periodensystem hinzugefügt wurden, wurde festgestellt, dass einige Elemente, wenn sie aufgrund ähnlicher Reaktionen in die richtige Spalte gestellt wurden, nicht der richtigen Reihenfolge des zunehmenden Atomgewichts folgten. Eine andere atomare Eigenschaft war erforderlich, um die Elemente richtig zu ordnen. Viele Jahre vergingen, bis die richtige Immobilie gefunden wurde.Während chemische Experimente nach weiteren Elementen suchten und diese charakterisierten, machten andere Wissenschaftszweige Entdeckungen über Elektrizität und Licht, die zur Entwicklung der Atomtheorie beitragen sollten. Michael Faraday hatte viel Arbeit geleistet, um Elektrizität zu charakterisieren; James Clerk Maxwell charakterisierte Licht. In den 1870er Jahren baute William Crookes einen Apparat, jetzt Crookes Tube genannt, um „Strahlen“ zu untersuchen, die von Metallen abgegeben werden. Er wollte bestimmen, ob die Strahlen Licht oder Elektrizität waren, basierend auf Faradays und Maxwells Beschreibungen von beiden. Crookes ‚Röhre bestand aus einem Glaskolben, aus dem der größte Teil der Luft entfernt worden war und der zwei Metallplatten umhüllte, die Elektroden genannt wurden. Eine Elektrode wurde als Anode und die andere als Kathode bezeichnet. Die Platten hatten jeweils einen Draht, der außerhalb der Glühbirne zu einer Stromquelle führte. Wenn Elektrizität an die Elektroden angelegt wurde, schienen Strahlen von der Kathode zu kommen. Crookes stellte fest, dass diese Kathodenstrahlen Partikel mit einer negativen elektrischen Ladung waren, die vom Metall der Kathodenplatte abgegeben wurden. 1897 entdeckte J. J. Thomson, dass diese negativ geladenen Teilchen aus den Atomen austreten und zunächst in den Metallatomen vorhanden gewesen sein müssen. Er nannte diese negativ geladenen subatomaren Teilchen „Elektronen.“ Da die Elektronen negativ geladen waren, musste der Rest des Atoms positiv geladen sein. Thomson glaubte, dass die Elektronen im Atom wie Rosinen in einem positiv geladenen Brotteig oder wie Pflaumen in einem Pudding gestreut wurden. Obwohl Thomsons „Pflaumenpudding“ -Modell nicht korrekt war, war es der erste Versuch zu zeigen, dass Atome komplexer sind als nur homogene Kugeln.

Zur gleichen Zeit untersuchten Wissenschaftler andere Arten mysteriöser Strahlen, die von der Crookes-Röhre kamen und nicht von ihrer Kathode stammten. 1895 bemerkte Wilhelm Roentgen, dass Fotoplatten, die in der Nähe einer Crookes-Röhre gehalten wurden, durch unsichtbare, unbekannte Strahlen beschlagen würden. Röntgen nannte diese Strahlen „Röntgenstrahlen“, wobei „x“ für unbekannt wie in der Mathematik verwendet wurde. Roentgen etablierte auch die Verwendung von Fotoplatten, um mysteriöse Strahlen zu fotografieren. Er fand heraus, dass zum Beispiel durch Blockieren der Röntgenstrahlen mit seiner Hand Knochen die Röntgenstrahlen blockieren würden, Haut und Gewebe jedoch nicht. Ärzte verwenden immer noch Röntgenstrahlen für die Bildgebung des menschlichen Körpers.

Fotoplatten wurden zur Standardausrüstung für Wissenschaftler der Röntgenzeit. Einer dieser Wissenschaftler, Henri Becquerel, hinterließ einige Fotoplatten in einer Schublade mit Uran, einem neuen Element, das er untersuchte. Als er die Platten entfernte, stellte er fest, dass sie beschlagen waren. Da sich sonst nichts in der Schublade befand, kam er zu dem Schluss, dass das Uran irgendeine Art von Strahl abgegeben haben muss. Becquerel zeigte, dass diese Strahlung nicht so durchdringend war wie Röntgenstrahlen, da sie durch Papier blockiert werden konnte. Das Element selbst erzeugte aktiv Strahlung, eine Eigenschaft, die als Radioaktivität bezeichnet wird. Vor allem durch die Arbeit von Pierre und Marie Curie wurden mehr radioaktive Elemente gefunden. Die Versuche, die verschiedenen Arten von Radioaktivität zu charakterisieren, führten zum nächsten großen Kapitel in der Entwicklung der Atomtheorie.1896 begann Ernest Rutherford, ein Schüler von J. J. Thomson, mit dem Studium der Radioaktivität. Durch Testen verschiedener Elemente und Bestimmen, welche Arten von Materialien die Strahlung daran hindern könnten, eine fotografische Platte zu erreichen, Rutherford kam zu dem Schluss, dass es zwei Arten von Radioaktivität gibt, die von Elementen stammen. Er benannte sie mit den ersten beiden Buchstaben des griechischen Alphabets, Alpha und Beta. Alpha-Strahlung bestand aus positiv geladenen Teilchen, die etwa viermal so schwer waren wie ein Wasserstoffatom. Betastrahlung bestand aus negativ geladenen Teilchen, die wie Elektronen zu sein schienen. Rutherford beschloss, ein Experiment mit den Alphateilchen durchzuführen. Er stellte ein Stück dünne Goldfolie mit Fotoplatten auf, die es umgaben. Er erlaubte dann Alphateilchen, das Gold zu treffen. Die meisten Alphateilchen gingen direkt durch die Goldfolie. Aber einige von ihnen taten es nicht. Einige wenige Alphateilchen wurden von ihrem geraden Kurs abgelenkt. Einige kamen sogar direkt zurück. Rutherford schrieb, dass es so überraschend war, als hätte man eine Kugel auf ein Stück Seidenpapier abgefeuert, nur um es zurückprallen zu lassen. Rutherford kam zu dem Schluss, dass die Atome des Goldes, da die meisten Alphateilchen durchlaufen wurden, größtenteils leerer Raum sein müssen, nicht Thomsons raumfüllender Pflaumenpudding. Da einige der Alphateilchen abgelenkt wurden, muss es in jedem Atom, das er Kern nannte, eine dicht gepackte positive Region geben. Bei all der positiven Ladung im Kern war die nächste Frage die Anordnung der Elektronen im Atom.

Im Jahr 1900 hatte der Physiker Max Planck Prozesse von Licht und Wärme untersucht und speziell versucht, die Lichtstrahlung zu verstehen, die von einem „schwarzen Körper“ abgegeben wird, einem idealen Hohlraum, der aus perfekt reflektierenden Wänden besteht. In diesem Hohlraum befanden sich Objekte, sogenannte Oszillatoren, die Licht und Wärme absorbierten und emittierten. Bei ausreichender Zeit würde die Strahlung eines solchen schwarzen Körpers eine farbige Lichtverteilung erzeugen, die als Spektrum bezeichnet wird und nur von der Temperatur des schwarzen Körpers und nicht von dem abhängt, woraus er besteht. Viele Wissenschaftler versuchten, eine mathematische Beziehung zu finden, die vorhersagen würde, wie die Oszillatoren eines schwarzen Körpers eine bestimmte spektrale Verteilung erzeugen könnten. Max Planck fand diese korrekte mathematische Beziehung. Er nahm an, dass die von den Oszillatoren absorbierte oder emittierte Energie immer ein Vielfaches eines fundamentalen „Energiepakets“ war, das er ein Quantum nannte. Objekte, die Energie emittieren oder absorbieren, tun dies in diskreten Mengen, Quanten genannt.

Zur gleichen Zeit arbeitete ein Physiker mit Thomson und Rutherford namens Niels Bohr. Bohr erkannte, dass die Idee eines Energiequantums erklären könnte, wie die Elektronen im Atom angeordnet sind. Er beschrieb die Elektronen als „im Orbit“ um den Kern wie Planeten um die Sonne. Wie Oszillatoren in einem schwarzen Körper nicht irgendeine Energie haben könnten, könnten Elektronen im Atom nicht irgendeine Umlaufbahn haben. Es gab Nurwasserstoffisotope: Wasserstoff, Deuterium und Tritium. Illustration von Hans & Cassidy. Mit freundlicher Genehmigung der Gale Group.bestimmte Entfernungen, die durch die Energie eines Elektrons erlaubt waren. Wenn ein Elektron eines bestimmten Atoms das genau richtige Energiequantum absorbiert, könnte es sich weiter vom Kern entfernen. Wenn ein Elektron, das weiter vom Kern entfernt ist, genau das richtige Energiequantum emittiert, könnte es sich dem Kern nähern. Was die genau richtigen Werte waren für jedes Element unterschiedlich. Diese Werte konnten durch ein Verfahren namens Atomspektroskopie bestimmt werden, eine experimentelle Technik, die das von Atomen erzeugte Lichtspektrum untersuchte. Ein Atom wurde so erhitzt, dass alle seine Elektronen weit vom Kern entfernt waren. Als sie sich dem Kern näherten, begannen die Elektronen, ihre Energiequanten als Licht abzugeben. Das erzeugte Lichtspektrum konnte mit einem Prisma untersucht werden. Das auf diese Weise erzeugte Spektrum zeigte nicht jede mögliche Farbe, sondern nur die wenigen, die den Energien entsprachen, die den Elektronenbahnunterschieden entsprachen. Obwohl später verfeinert, erklärte Bohrs „Planetenmodell“ des Atoms atomspektroskopische Daten gut genug, dass Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit wieder auf den Kern des Atoms richteten.Rutherford setzte zusammen mit Frederick Soddy die Arbeit mit radioaktiven Elementen fort. Soddy, bestimmtes, bemerkte, dass Alpha- und Betateilchen von Atomen emittiert wurden, Die Atome veränderten sich auf zwei Arten: (1) das Element wurde ein völlig anderes Element mit völlig neuen chemischen Reaktionen, oder (2) das Element behielt die gleichen chemischen Reaktionen und das gleiche Atomspektrum bei, änderte sich aber nur im Atomgewicht.

Er nannte Atome der zweiten Gruppe Isotope, Atome desselben Elements mit unterschiedlichen Atomgewichten. In jeder natürlichen Probe eines Elements kann es verschiedene Arten von Isotopen geben. Als Ergebnis, Das Atomgewicht eines Elements, das von Berzelius berechnet wurde, war tatsächlich ein Durchschnitt aller Isotopengewichte für dieses Element. Dies war der Grund dafür, dass einige Elemente in Mendelejews Periodensystem nicht in die richtige Reihenfolge fielen — das durchschnittliche Atomgewicht hing davon ab, wie viel von jeder Art von Isotop vorhanden war. Soddy schlug vor, die Elemente durch Ähnlichkeit chemischer Reaktionen in das Periodensystem aufzunehmen und sie dann der Reihe nach zu nummerieren. Die jedem Element auf diese Weise zugewiesene Nummer wird als Ordnungszahl bezeichnet. Die Ordnungszahlen waren bequeme Möglichkeiten, sich auf Elemente zu beziehen.In der Zwischenzeit hatte Thomson seine Arbeit mit der Crookes-Röhre fortgesetzt. Er fand heraus, dass nicht nur Kathodenstrahlen von Elektronen erzeugt wurden, sondern auch positive Teilchen. Nach viel mühevoller Arbeit gelang es ihm, die vielen verschiedenen Arten von positiven Partikeln nach Gewicht zu trennen. Basierend auf diesen Messungen konnte er ein fundamentales Teilchen bestimmen, das kleinste erzeugte positive Teilchen, das als Proton bezeichnet wird. Da diese von den Atomen der Kathode erzeugt wurden und Rutherford zeigte, dass der Kern des Atoms positiv war, erkannte Thomson, dass der Kern eines Atoms Protonen enthalten muss. Ein junger Wissenschaftler namens Henry Moseley experimentierte damit, Atome verschiedener Elemente mit Röntgenstrahlen zu bombardieren. Genau wie in der Atomspektroskopie, wo Wärme Elektronen mehr Energie gibt, geben Röntgenstrahlen Protonen im Kern mehr Energie. Und so wie Elektronen Licht bestimmter Energien abgeben, wenn sie abkühlen, emittiert der Kern Röntgenstrahlen einer bestimmten Energie, wenn er „entregt“ wird.“ Moseley entdeckte, dass die Energie der emittierten Röntgenstrahlen für jedes Element einer einfachen mathematischen Beziehung folgte. Die Energie hing von der Ordnungszahl für dieses Element ab, und die Ordnungszahl entsprach der Anzahl der positiven Ladungen im Kern. Die korrekte Reihenfolge des Periodensystems erfolgt also durch Erhöhung der Anzahl der Protonen im Atomkern. Die Anzahl der Protonen entspricht der Anzahl der Elektronen in einem neutralen Atom. Die Elektronen sind für die chemischen Reaktionen verantwortlich. Elemente in derselben Spalte des Periodensystems haben ähnliche Anordnungen von Elektronen mit den höchsten Energien, und deshalb sind ihre Reaktionen ähnlich.

Nur ein Problem blieb. Elektronen hatten sehr wenig Gewicht, 1/1.836 das Gewicht eines Protons. Doch die Protonen machten nicht das gesamte Atomgewicht eines Atoms aus. Erst 1932 entdeckte James Chadwick die Existenz eines Teilchens im Kern ohne elektrische Ladung, aber mit einem etwas größeren Gewicht als ein Proton. Er nannte dieses Teilchen das Neutron. Neutronen sind für die Existenz von Isotopen verantwortlich. Zwei Atome desselben Elements haben die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, aber sie können eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen und daher unterschiedliche Atomgewichte haben. Isotope werden benannt, indem der Name des Elements und dann die Anzahl der Protonen plus Neutronen im Kern angegeben werden. Die Summe der Protonen und Neutronen wird als Massenzahl bezeichnet. Zum Beispiel hat Uran-235 235 Protonen und Neutronen. Wir können uns ein Periodensystem ansehen, um die Ordnungszahl von Uran (92) zu finden, die uns die Anzahl der Protonen angibt. Dann wissen wir durch Subtraktion, dass dieses Isotop 143 Neutronen hat. Es gibt ein anderes Isotop von Uran, 238U, mit 92 Protonen und 146 Neutronen. Einige Kombinationen von Protonen und Neutronen sind weniger stabil als andere. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, 10 Bowlingkugeln in Ihren Armen zu halten. Es wird einige Arrangements geben, in denen Sie es möglicherweise verwalten können. Versuchen Sie nun, 11 oder nur neun zu halten. Möglicherweise gibt es keine stabile Anordnung und Sie würden die Bowlingkugeln fallen lassen. Das gleiche passiert mit Protonen und Neutronen. Instabile Anordnungen fallen spontan auseinander und emittieren Partikel, bis eine stabile Struktur erreicht ist. So entsteht Radioaktivität wie Alphateilchen. Alphateilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die aus einem instabilen Kern herausfallen.

Wasserstoff hat drei Arten von Isotopen: wasserstoff, 2H (Deuterium) und 3H (Tritium).

Die Atomgewichte der anderen Elemente wurden ursprünglich mit Wasserstoff verglichen, ohne anzugeben, welches Isotop. Es ist auch schwierig, einzelne Wasserstoffatome zu erhalten, da es normalerweise mit anderen Atomen reagiert, um Moleküle wie H2 oder H2O zu bilden. Die Atomgewichte beziehen sich nun auf 12 C (Kohlenstoff-12). Dieses Isotop hat sechs Protonen und sechs Neutronen in seinem Kern. Kohlenstoff-12 wurde als 12 Atommasseneinheiten definiert. (Atommasseneinheiten, abgekürzt amu, sind Einheiten, die zum Vergleich der relativen Gewichte von Atomen verwendet werden. Eine Amu ist weniger als 200 Sextillionstel Gramm. Jedes andere Isotop jedes anderen Elements wird damit verglichen. Dann werden die Gewichte der Isotope eines bestimmten Elements gemittelt, um die im Periodensystem gefundenen Atomgewichte zu erhalten.

Bis zu diesem Punkt in der Geschichte des Atoms wurden alle Teilchen, aus denen das Atom besteht, als harte, gleichmäßige Kugeln betrachtet. Ab 1920 mit der Arbeit von Louis de Broglie änderte sich dieses Bild. De Broglie zeigte, dass Teilchen wie Elektronen manchmal Eigenschaften von Wellen haben können. Wenn beispielsweise Wasserwellen von zwei Quellen erzeugt werden, z. B. wenn zwei Kieselsteine in einen Teich fallen, können sich die Wellen gegenseitig stören. Dies bedeutet, dass hohe Spots hinzufügen, um noch höhere Spots zu machen. Niedrige Stellen fügen hinzu, um noch niedrigere Regionen zu bilden. Wenn Elektronen dazu gebracht wurden, durch einen Doppelspalt zu reisen, wobei einige Elektronen durch einen Schlitz und einige durch den anderen gingen, erzeugten sie effektiv zwei Quellen. Die Elektronen zeigten dieselbe Art von Interferenz und erzeugten ein Muster auf einer Sammelplatte. Die Fähigkeit von Elektronen und anderen Teilchen, manchmal Eigenschaften von Teilchen und manchmal von Wellen zu zeigen, wird als Wellen-Teilchen-Dualität bezeichnet. Diese Komplikation der Natur des Elektrons bedeutete, dass Bohrs Vorstellung von einem Planetenatom nicht ganz richtig war. Die Elektronen haben unterschiedliche diskrete Energien, aber sie folgen keinen Kreisbahnen. 1925 stellte Werner Heisenberg fest, dass die genaue Geschwindigkeit und Position eines Elektrons nicht gleichzeitig bekannt sein können. Diese „Heisenbergsche Unschärferelation“ inspirierte Erwin Schrödinger, eine Gleichung zu entwickeln, um zu berechnen, wie sich ein Elektron mit einer bestimmten Energie bewegt. Schrödingers Gleichung beschreibt Bereiche in einem Atom, in denen ein Elektron mit einer bestimmten Energie wahrscheinlich ist, aber nicht genau dort, wo es ist. Dieser Wahrscheinlichkeitsbereich wird als Orbital bezeichnet. Elektronen bewegen sich innerhalb dieser Orbitale so schnell, dass wir uns vorstellen können, dass sie zu einer Elektronenwolke verschwimmen. Elektronen bewegen sich von einem Orbital in ein anderes, indem sie ein Energiequant absorbieren oder emittieren, wie Bohr erklärte.