az atomok egyik első leírandó tulajdonsága a relatív atomtömeg volt. Bár egyetlen atom túl kicsi volt a súlyhoz, az atomok összehasonlíthatók egymással. Jons Berzelius kémikus feltételezte, hogy azonos hőmérsékleten és nyomáson azonos mennyiségű gáz azonos számú atomot tartalmaz. Ezt az ötletet használtaaz atomelmélet fejlődése. Illusztráció Hans & Cassidy. A Gale Group jóvoltából.hasonlítsa össze a reagáló gázok súlyát. Meg tudta állapítani, hogy például az oxigénatomok 16-szor nehezebbek, mint a hidrogénatomok. Listát készített ezekről a relatív atomtömegekről annyi elemre, amennyit csak tudott. Az elemek szimbólumait Latin nevük első betűjének vagy első két betűjének felhasználásával dolgozta ki, ez a rendszer ma is használatban van. A hidrogén szimbóluma H, az oxigén O, a nátrium (natrium, latinul) Na stb. A szimbólumok hasznosnak bizonyultak annak leírásában is, hogy hány Atom egyesül egy adott vegyület molekulájává. Például annak bemutatására, hogy a víz két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll, a víz szimbóluma H2O. egy oxigénatom akár egy másik oxigénatommal is kombinálódhat, hogy oxigénmolekulát állítson elő O2 szimbólummal .

ahogy egyre több elemet fedeztek fel, kényelmessé vált, hogy elkezdjük felsorolni őket szimbólum formájában egy diagramban. 1869-ben Dmitrij Mendelejev felsorolta az elemeket az atomtömeg növekedésének sorrendjében, valamint csoportosított elemeket, amelyek hasonló kémiai reakciókkal rendelkeztek. Például a lítium( Li), a nátrium (Na) és a kálium (k) mind fémes elemek, amelyek lángra lobbannak, ha nedvesek. Hasonló elemeket helyeztek el a diagram ugyanazon oszlopában. Mendelejev kezdett látni egy mintát az elemek között, ahol az atomtömeg-lista minden nyolcadik eleme ugyanahhoz az oszlophoz tartozik. Ennek a periodicitásnak vagy ismétlődő mintának köszönhetően Mendelejev diagramját “az elemek periódusos táblázatának” nevezik.”Az asztal annyira szabályos volt, hogy amikor “lyuk” volt az asztalon, Mendelejev azt jósolta, hogy végül felfedeznek egy elemet, amely kitölti a helyet. Például volt hely egy olyan elem számára, amelynek atomtömege körülbelül 72 (72-szer nehezebb, mint a hidrogén), de nem ismert elem. 1886-ban, 15 évvel az előrejelzés után izolálták a germánium (ge) elemet, amelynek atomtömege 72,3 volt. Sok más elemet továbbra is megjósoltak és találtak ilyen módon. Mivel azonban több elemet adtak a periódusos rendszerhez, kiderült, hogy ha egyes elemeket hasonló reakciók miatt a megfelelő oszlopba helyeztek, akkor nem követték a növekvő atomtömeg megfelelő sorrendjét. Néhány más atomi jellemzőre volt szükség az elemek megfelelő megrendeléséhez. Sok év telt el a megfelelő ingatlan megtalálása előtt.

ahogy a kémiai kísérletek több elemet kerestek és jellemeztek, a tudomány más ágai olyan felfedezéseket tettek az elektromosságról és a fényről, amelyek hozzájárultak az atomelmélet fejlődéséhez. Michael Faraday sok munkát végzett az elektromosság jellemzésében; James Clerk Maxwell jellemezte a fényt. Az 1870-es években William Crookes épített egy készüléket, amelyet ma Crookes-csőnek hívnak, hogy megvizsgálja a fémek által kibocsátott “sugarakat”. Faraday és Maxwell leírásai alapján meg akarta határozni, hogy a sugarak fény vagy elektromosság-e. Crookes csöve egy üveg izzóból állt, amelyből a levegő nagy részét eltávolították, két elektródának nevezett fémlemezt burkolva. Az egyik elektródát anódnak, a másikat katódnak hívták. A lemezek mindegyikén volt egy huzal, amely az izzón kívül egy áramforráshoz vezetett. Amikor villamos energiát alkalmaztak az elektródákra, úgy tűnt, hogy a sugarak a katódból származnak. Crookes megállapította, hogy ezek a katódsugarak negatív elektromos töltésű részecskék, amelyeket a katódlemez fémje bocsát ki. 1897-ben J. J. Thomson felfedezte, hogy ezek a negatív töltésű részecskék az atomokból jönnek ki, és először is jelen kellett lenniük a fématomokban. Ezeket a negatív töltésű szubatomi részecskéket “elektronoknak” nevezte.”Mivel az elektronok negatív töltésűek voltak, az atom többi részének pozitív töltésűnek kellett lennie. Thomson úgy vélte, hogy az elektronok szétszóródtak az atomban, mint a mazsola a pozitív töltésű kenyér tésztában, vagy mint a szilva a pudingban. Bár Thomson” szilva-puding ” modellje nem volt helyes, ez volt az első kísérlet annak bemutatására, hogy az atomok összetettebbek, mint a homogén gömbök.

ugyanakkor a tudósok másfajta titokzatos sugarakat vizsgáltak, amelyek a Crookes csőből származnak, amelyek nem a katódjából származnak. 1895-ben Wilhelm Roentgen észrevette, hogy a Crookes-cső közelében tartott fényképes lemezeket néhány láthatatlan, ismeretlen sugár ködösíti. Roentgen ezeket a sugarakat “röntgensugaraknak” nevezte, az” x ” – et ismeretlen, mint a matematikában. Roentgen a fényképészeti lemezek használatát is létrehozta a titokzatos sugarak fényképezésének módjaként. Úgy találta, hogy ha például a kezével blokkolja a röntgensugarakat, a csontok blokkolják a röntgensugarakat, de a bőr és a szövetek nem. Az orvosok továbbra is Roentgen röntgensugarait használják az emberi test képalkotására.

a fényképészeti lemezek a Roentgen korának tudósai számára standard felszereléssé váltak. Az egyik ilyen tudós, Henri Becquerel, néhány fényképes lemezt hagyott egy fiókban uránnal, egy új elem, amelyet tanulmányozott. Amikor eltávolította a lemezeket, azt találta, hogy ködösek lettek. Mivel semmi más nem volt a fiókban, arra a következtetésre jutott, hogy az urán valamilyen típusú sugarat bocsáthatott ki. Becquerel kimutatta, hogy ez a sugárzás nem olyan Áthatoló, mint a röntgensugarak, mivel papírral blokkolható. Maga az elem aktívan termelt sugárzást, ezt a tulajdonságot radioaktivitásnak nevezik. Nagyrészt Pierre és Marie Curie munkája révén több radioaktív elemet találtak. A radioaktivitás különböző típusainak jellemzésére tett kísérletek az atomelmélet fejlődésének következő nagy fejezetéhez vezettek.

1896-ban Ernest Rutherford, J. J. Thomson tanítványa elkezdte tanulmányozni a radioaktivitást. Különböző elemek tesztelésével és annak meghatározásával, hogy milyen anyagok akadályozhatják meg a sugárzás eljutását egy fényképészeti lemezre, Rutherford arra a következtetésre jutott, hogy kétféle radioaktivitás származik az elemekből. A görög ábécé első két betűjét, az alpha-t és a beta-t használta. Az alfa-sugárzás pozitív töltésű részecskékből készült, körülbelül négyszer olyan nehéz, mint egy hidrogénatom. A béta sugárzás negatív töltésű részecskékből állt, amelyek úgy tűnt, hogy olyanok, mint az elektronok. Rutherford úgy döntött, hogy kísérletet tesz az alfa részecskék felhasználásával. Felállított egy darab vékony arany fóliát, fényképészeti lemezekkel körülvéve. Ezután megengedte, hogy az alfa részecskék eltalálják az aranyat. A legtöbb alfa-részecske átment az aranyfólián. De néhány közülük nem. Néhány alfa-részecske eltérített az egyenes pályájuktól. Néhányan egyenesen hátrafelé jöttek. Rutherford azt írta, hogy ugyanolyan meglepő, mintha egy golyót lőtt volna egy darab selyempapírra, csak hogy visszapattanjon. Rutherford arra a következtetésre jutott, hogy mivel az alfa-részecskék többsége áthaladt, az arany atomjainak többnyire üres térnek kell lenniük, nem Thomson űrtöltő szilvapudingjának. Mivel az alfa-részecskék közül néhány elhajlott, minden atomnak sűrűn csomagolt pozitív régiónak kell lennie, amelyet magnak nevezett. A mag összes pozitív töltésével a következő kérdés az elektronok elrendezése volt az atomban.

1900-ban Max Planck fizikus tanulmányozta a fény és a hő folyamatait, különös tekintettel a “fekete test” által kibocsátott fénysugárzásra, amely egy ideális üreg, amelyet tökéletesen visszaverő falak alkotnak. Ezt az üreget úgy képzelték el, hogy oszcillátoroknak nevezett tárgyakat tartalmaz, amelyek fényt és hőt nyelnek el és bocsátanak ki. Ha elegendő idő áll rendelkezésre, egy ilyen fekete test sugárzása színes fényeloszlást eredményez, amelyet spektrumnak neveznek, amely csak a fekete test hőmérsékletétől függ, nem pedig attól, hogy miből áll. Sok tudós megpróbált olyan matematikai összefüggést találni, amely megjósolná, hogy egy fekete test oszcillátorai hogyan hozhatnak létre egy adott spektrális eloszlást. Max Planck megtalálta ezt a helyes matematikai összefüggést. Feltételezte, hogy az oszcillátorok által elnyelt vagy kibocsátott energia mindig valamilyen alapvető “energiacsomag” többszöröse, amelyet kvantumnak nevezett. Az energiát kibocsátó vagy elnyelő tárgyak diszkrét mennyiségben, úgynevezett kvantum.

ugyanebben az időben volt egy fizikus, aki Thomsonnal és Rutherforddal dolgozott, Niels Bohrnak hívták. Bohr rájött, hogy az energia kvantumának gondolata megmagyarázhatja az atom elektronjainak elrendezését. Leírta, hogy az elektronok “pályán vannak” a mag körül, mint a bolygók a Nap körül. Mint a fekete test oszcillátorainak nem lehet akármilyen energiája, az atomban lévő elektronoknak sem lehet akármilyen pályájuk. Csak hidrogén izotópok voltak: hidrogén, deutérium és trícium. Illusztráció Hans & Cassidy. A Gale Group jóvoltából.bizonyos távolságok, amelyeket az elektron energiája megengedett. Ha egy adott atom elektronja elnyeli a pontosan megfelelő energiakvantumot, akkor távolabb kerülhet a magtól. Ha egy elektron a magtól távolabb bocsátja ki a pontosan megfelelő energiakvantumot, akkor közelebb kerülhet a maghoz. Mi a pontosan helyes értékek különböztek minden elemnél. Ezeket az értékeket egy atomspektroszkópiának nevezett eljárással lehet meghatározni, egy kísérleti technikával, amely az atomok által termelt fényspektrumot vizsgálta. Egy atomot úgy hevítettek, hogy az összes elektronja messze elmozduljon a magtól. Ahogy közelebb kerültek a maghoz, az elektronok fényként kezdik kibocsátani energiájuk mennyiségét. Az előállított fény spektrumát prizma segítségével lehet megvizsgálni. Az így előállított spektrum nem mutatott minden lehetséges színt, hanem csak azokat a néhányat, amelyek megfeleltek az elektronpálya különbségeinek megfelelő energiáknak. Bár később finomították, Bohr” bolygómodellje ” az atomról elég jól magyarázta az atomspektroszkópiai adatokat, hogy a tudósok visszairányítsák figyelmüket az atommagra.

Rutherford Frederick Soddy-val együtt folytatta a radioaktív elemekkel való munkát. Soddy, különösen, észrevette, hogy az alfa-és béta-részecskék bocsátottak ki atomok, az atomok változott kétféleképpen: (1) az elem teljesen új kémiai reakciókkal teljesen más elemgé vált, vagy (2) az elem ugyanazokat a kémiai reakciókat és ugyanazt az atomspektrumot tartotta fenn, de csak atomtömegében változott.

a második csoport izotópjainak atomjait nevezte, ugyanazon elem atomjait különböző atomtömegekkel. Az elem bármely természetes mintájában többféle izotóp lehet. Ennek eredményeként, a Berzelius által kiszámított elem atomtömege valójában az adott elem összes izotóptömegének átlaga volt. Ez volt az oka annak, hogy egyes elemek nem estek a helyes sorrendbe Mendelejev periódusos rendszerében—az átlagos atomtömeg attól függött, hogy az egyes izotópok mekkora része volt jelen. Soddy azt javasolta, hogy az elemeket a periódusos rendszerbe helyezzék a kémiai reakciók hasonlósága alapján, majd számozzák őket sorrendben. Az egyes elemekhez így hozzárendelt számot atomszámnak nevezzük. Az atomszámok kényelmes módszerek voltak az elemekre való hivatkozásra.

eközben Thomson folytatta munkáját a Crookes csővel. Megállapította, hogy nemcsak elektronok katódsugarai keletkeztek, hanem pozitív részecskék is. Sok fáradságos munka után képes volt elválasztani a sokféle pozitív részecskét tömeg szerint. Ezen mérések alapján képes volt meghatározni egy alapvető részecskét, a legkisebb előállított pozitív részecskét, az úgynevezett protont. Mivel ezeket a katód atomjai állították elő, és mivel Rutherford megmutatta, hogy az atom magja pozitív, Thomson rájött, hogy egy atom magjának protonokat kell tartalmaznia. Egy Henry Moseley nevű fiatal tudós kísérletezett a különböző elemek atomjainak röntgensugarakkal történő bombázásával. Csakúgy, mint az atomspektroszkópiában, ahol a hő több energiát ad az elektronoknak, a röntgensugarak több energiát adnak a magban lévő protonoknak. És ahogy az elektronok bizonyos energiák fényét bocsátják ki, amikor lehűlnek, a mag egy adott energia röntgensugarait bocsátja ki, amikor “de-excitál.”Moseley felfedezte, hogy a kibocsátott röntgensugarak energiája minden elemhez egyszerű matematikai összefüggést követett. Az energia az adott elem atomszámától függött, az atomszám pedig megfelelt a magban lévő pozitív töltések számának. Tehát a periódusos rendszer helyes rendezése az atommagban lévő protonok számának növelésével történik. A protonok száma megegyezik a semleges atomban lévő elektronok számával. Az elektronok felelősek a kémiai reakciókért. A periódusos rendszer ugyanazon oszlopában lévő elemek hasonló elrendezéssel rendelkeznek a legnagyobb energiájú elektronokkal, ezért reakcióik hasonlóak.

csak egy probléma maradt. Az elektronok súlya nagyon kicsi volt,1/1, 836 a proton súlya. A protonok azonban nem vették figyelembe az atom teljes atomtömegét. James Chadwick csak 1932-ben fedezte fel egy olyan részecske létezését a magban, amelynek nincs elektromos töltése, de súlya valamivel nagyobb, mint egy proton. Ezt a részecskét neutronnak nevezte el. A neutronok felelősek az izotópok létezéséért. Ugyanazon elem két atomjának ugyanannyi protonja és elektronja lesz, de lehet, hogy különböző számú neutronjuk van, és ezért eltérő az atomtömegük. Az izotópokat az elem nevének, majd a protonok plusz neutronok számának megadásával nevezik meg a magban. A protonok és neutronok összegét tömegszámnak nevezzük. Például az urán-235 235 protont és neutronot tartalmaz. Megnézhetjük a periódusos rendszert, hogy megtaláljuk az urán atomszámát (92), amely megmondja nekünk a protonok számát. Ezután kivonva tudjuk, hogy ennek az izotópnak 143 neutronja van. Az uránnak van egy másik izotópja, a 238U, 92 protonnal és 146 neutronnal. A protonok és neutronok egyes kombinációi kevésbé stabilak, mint mások. Kép próbál tartani 10 bowling golyó a karjában. Lesz valami megállapodás, ahol lehet, hogy képes kezelni azt. Most próbáljon 11-et vagy csak kilencet tartani. Lehet, hogy nincs stabil elrendezés, és eldobná a bowling golyókat. Ugyanez történik a protonokkal és a neutronokkal is. Az instabil elrendezések spontán szétesnek, részecskéket bocsátanak ki, amíg stabil szerkezetet nem érnek el. Így keletkezik a radioaktivitás, mint az alfa részecskék. Az alfa-részecskék két protonból és két neutronból állnak, amelyek egy instabil atommagból zuhannak ki.

a hidrogénnek háromféle izotópja van: hidrogén, 2H (deutérium) és 3H (trícium).

a többi elem atomtömegét eredetileg összehasonlítottuk a hidrogénnel anélkül, hogy meghatároztuk volna, melyik izotóp. Az is nehéz, hogy egyetlen atom hidrogén, mert általában reagál más atomok alkotnak molekulák, mint a H2 vagy H2O.így egy másik elem izotóp választottuk összehasonlításra. Az atomtömegek most 12 C-on (szén-12) alapulnak. Ennek az izotópnak hat protonja és hat neutronja van a magjában. A szén-12-et 12 Atomtömeg-egységnek határozták meg. (Atomtömeg-egységek, rövidítve amu, olyan egységek, amelyeket az atomok relatív súlyának összehasonlítására használnak. Egy amu kevesebb, mint 200 szextilliont gramm.) Minden más elem minden más izotópját összehasonlítjuk ezzel. Ezután egy adott elem izotópjainak súlyát átlagoljuk, hogy megadjuk a periódusos rendszerben található atomtömegeket.

az atom történetének ezen pontjáig az atomot alkotó összes részecskét kemény, egyenletes gömböknek gondolták. 1920-tól kezdve Louis de Broglie munkájával ez a kép megváltozott. De Broglie kimutatta, hogy az elektronokhoz hasonló részecskék néha hullám tulajdonságokkal rendelkezhetnek. Például, ha a vízhullámokat két forrás állítja elő, mint például két kavics bedobása egy tóba, a hullámok zavarhatják egymást. Ez azt jelenti, hogy a magas foltok még magasabb foltokat eredményeznek. Az alacsony foltok még alacsonyabb régiókat hoznak létre. Amikor az elektronokat úgy készítették, hogy kettős résen haladjanak át, egyes elektronok az egyik résen, mások pedig a másikon mentek keresztül, hatékonyan két forrást hoztak létre. Az elektronok ugyanezt a fajta interferenciát mutatták, mintát hozva létre egy gyűjtőlemezen. Az elektronok és más részecskék azon képességét, hogy néha a részecskék, néha a hullámok tulajdonságait mutatják, hullám-részecske kettősségnek nevezzük. Az elektron természetének ez a komplikációja azt jelentette, hogy Bohr ötlete a bolygóatomról nem volt teljesen helyes. Az elektronok különböző diszkrét energiákkal rendelkeznek, de nem követik a körpályákat. 1925-ben Werner Heisenberg kijelentette, hogy az elektron pontos sebessége és helye nem lehet egyszerre ismert. Ez a “Heisenberg bizonytalansági elv” inspirálta Erwin Schr-t, hogy dolgozzon ki egy egyenletet annak kiszámításához, hogy egy bizonyos energiájú elektron hogyan mozog. A Schr xhamdinger-egyenlet olyan régiókat ír le egy atomban, ahol egy bizonyos energiájú elektron valószínűleg ott van, de nem pontosan ott, ahol van. Ezt a valószínűségi régiót orbitálisnak nevezzük. Az elektronok olyan gyorsan mozognak ezeken a pályákon belül, hogy úgy gondolhatunk rájuk, mint egy elektronfelhőbe való elmosódásra. Az elektronok az egyik pályáról a másikra mozognak egy kvantum energia elnyelésével vagy kibocsátásával, ahogy Bohr elmagyarázta.