jednym z pierwszych opisywanych atrybutów atomów była względna masa atomowa. Chociaż pojedynczy atom był zbyt mały, aby ważyć, Atomy można było porównać do siebie. Chemik Jons Berzelius założył, że równe objętości gazów w tej samej temperaturze i ciśnieniu zawierają jednakową liczbę atomów. Wykorzystał tę ideę do ewolucji teorii atomowej. Ilustracja autorstwa Hansa & Dzięki uprzejmości Gale Group.porównaj masy reagujących gazów. Był w stanie ustalić, że np. atomy tlenu są 16 razy cięższe od atomów wodoru. Sporządził listę tych względnych mas atomowych dla tylu pierwiastków, ilu znał. Wymyślił symbole dla elementów, używając pierwszej litery lub dwóch pierwszych liter ich łacińskich nazw, system nadal używany. Symbolem wodoru jest H, dla tlenu jest O, dla sodu (natrium, po łacinie) jest Na, i tak dalej. Symbole te okazały się również przydatne przy opisywaniu, ile atomów łączy się, tworząc cząsteczkę konkretnego związku. Na przykład, aby pokazać, że woda składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, symbolem wody jest H2O. jeden atom tlenu może nawet połączyć się z innym atomem tlenu, aby wytworzyć cząsteczkę tlenu o symbolu O2 .

w miarę jak coraz więcej elementów było odkrywanych, wygodne stało się rozpoczęcie ich notowania w formie symboli na wykresie. W 1869 Dmitrij Mendelejew wymienił pierwiastki w kolejności zwiększania masy atomowej i zgrupował pierwiastki, które zdawały się mieć podobne reakcje chemiczne. Na przykład lit (Li), sód (Na) i potas (K) są pierwiastkami metalicznymi, które wybuchają płomieniem, jeśli się zamoczą. Podobne elementy zostały umieszczone w tej samej kolumnie jego wykresu. Mendelejew zaczął dostrzegać wzór wśród pierwiastków, gdzie co ósmy pierwiastek na liście masy atomowej miałby należeć do tej samej kolumny. Ze względu na tę cykliczność lub powtarzający się wzór, Wykres Mendelejewa nazywany jest „układem okresowym pierwiastków.”W rzeczywistości stół był tak regularny, że kiedy pojawiła się” dziura ” w stole, Mendelejew przewidział, że w końcu znajdzie się element, który wypełni to miejsce. Na przykład, było miejsce na pierwiastek o masie atomowej około 72 (72 razy cięższy od wodoru), ale żaden znany pierwiastek. W 1886 roku, 15 lat po jego przewidywaniach, pierwiastek German (Ge) został wyizolowany i stwierdzono, że ma masę atomową 72,3. W ten sposób przewidywano i odnaleziono wiele innych elementów. Jednakże, ponieważ więcej pierwiastków zostało dodanych do układu okresowego, stwierdzono, że jeśli niektóre pierwiastki zostały umieszczone w odpowiedniej kolumnie z powodu podobnych reakcji, nie podążały one za właściwą kolejnością zwiększania masy atomowej. Do prawidłowego uporządkowania pierwiastków potrzebna była inna charakterystyka atomowa. Minęło wiele lat, zanim znaleziono właściwą nieruchomość.

w miarę jak eksperymenty chemiczne poszukiwały i charakteryzowały więcej pierwiastków, inne gałęzie nauki dokonywały odkryć na temat elektryczności i światła, które miały przyczynić się do rozwoju teorii atomowej. Michael Faraday wykonał wiele pracy, aby scharakteryzować elektryczność; James Clerk Maxwell scharakteryzował światło. W 1870 roku William Crookes zbudował aparat, obecnie zwany rurą Crookesa, do badania „promieni” emitowanych przez metale. Chciał ustalić, czy promienie są światłem, czy elektrycznością na podstawie opisów Faradaya i Maxwella. Rura crookesa składała się ze szklanej żarówki, z której usunięto większość powietrza, otoczonej dwiema metalowymi płytkami zwanymi elektrodami. Jedna elektroda była nazywana anodą, a druga katodą. Każda z płyt miała przewód prowadzący na zewnątrz żarówki do źródła energii elektrycznej. Kiedy elektryczność została przyłożona do elektrod, promienie wydawały się pochodzić z katody. Crookes ustalił, że te promienie katodowe były cząsteczkami o ujemnym ładunku elektrycznym, które były wydzielane przez metal płyty katodowej. W 1897 J. J. Thomson odkrył, że te ujemnie naładowane cząstki wychodziły z atomów i musiały być obecne w atomach metalu. Nazwał te ujemnie naładowane cząstki subatomowe ” elektronami.”Ponieważ elektrony były naładowane ujemnie, reszta atomu musiała być naładowana dodatnio. Thomson wierzył, że elektrony są rozproszone w atomie jak rodzynki w dodatnio naładowanym cieście chlebowym lub jak śliwki w budyniu. Chociaż model „plum-pudding” Thomsona nie był poprawny, była to pierwsza próba wykazania, że atomy są bardziej złożone niż tylko jednorodne sfery.

w tym samym czasie naukowcy badali inne rodzaje tajemniczych promieni, które docierały z rury Crookesa, która nie pochodziła z jej katody. W 1895 roku Wilhelm Roentgen zauważył, że płytki fotograficzne trzymane w pobliżu rury Crookesa zostaną zamglone przez niewidoczne, nieznane promienie. Roentgen nazwał te promienie „promieniami x”, używając” x ” dla nieznanego jak w matematyce. Roentgen ustanowił również wykorzystanie płyt fotograficznych jako sposobu wykonywania zdjęć tajemniczych promieni. Odkrył, że blokując promienie rentgenowskie ręką, na przykład, kości blokują promienie rentgenowskie, ale skóra i tkanka nie. Lekarze nadal używają promieni rentgenowskich Roentgena do obrazowania ludzkiego ciała.

płyty fotograficzne stały się standardowym wyposażeniem dla naukowców z czasów Roentgena. Jeden z tych naukowców, Henri Becquerel, zostawił kilka płyt fotograficznych w szufladzie z Uranem, nowym pierwiastkiem, który badał. Kiedy zdjął tablice, odkrył, że stały się zamglone. Ponieważ w szufladzie nie było nic innego, doszedł do wniosku, że Uran musiał wydzielać jakiś rodzaj promienia. Becquerel pokazał, że to promieniowanie nie było tak przenikliwe jak promienie x, ponieważ może być zablokowany przez papier. Sam pierwiastek aktywnie wytwarzał promieniowanie, właściwość określaną jako radioaktywność. W dużej mierze dzięki pracy Pierre ’ a i Marii Curie znaleziono więcej pierwiastków radioaktywnych. Próby scharakteryzowania różnych rodzajów radioaktywności doprowadziły do kolejnego wielkiego rozdziału w rozwoju teorii atomowej.

w 1896 roku Ernest Rutherford, uczeń J. J. Thomsona, rozpoczął badania nad radioaktywnością. Badając różne pierwiastki i określając, jakie materiały mogą blokować promieniowanie przed dotarciem do płyty fotograficznej, Rutherford doszedł do wniosku, że istnieją dwa rodzaje radioaktywności pochodzące z pierwiastków. Nazwał je używając dwóch pierwszych liter alfabetu greckiego, alfa i beta. Promieniowanie alfa składa się z dodatnio naładowanych cząstek około cztery razy cięższych od atomu wodoru. Promieniowanie Beta było wykonane z ujemnie naładowanych cząstek, które wydawały się być jak elektrony. Rutherford postanowił przeprowadzić eksperyment z użyciem cząstek alfa. Ustawił kawałek cienkiej złotej folii z otaczającymi ją płytkami fotograficznymi. Następnie pozwolił cząstkom Alfa trafić w złoto. Większość cząstek alfa przeszła przez złotą folię. Ale kilka z nich nie. Kilka cząstek alfa zostało odchylonych od ich prostego kursu. Kilku nawet podeszło prosto do tyłu. Rutherford napisał, że było to tak zaskakujące, jakby ktoś wystrzelił kulę w kawałek bibułki, tylko po to, aby ją odbić. Rutherford doszedł do wniosku, że skoro większość cząstek alfa przeszła, Atomy złota muszą być w większości pustą przestrzenią, a nie wypełnioną przestrzenią Thomsona. Ponieważ kilka cząstek alfa zostało odchylonych, musi istnieć gęsto upakowany dodatni region w każdym atomie, który nazwał jądrem. Z całym ładunkiem dodatnim w jądrze, kolejnym pytaniem było rozmieszczenie elektronów w atomie.

w 1900 roku fizyk Max Planck badał procesy światła i ciepła, szczególnie próbując zrozumieć promieniowanie świetlne emitowane przez „czarne ciało”, idealną jamę tworzoną przez doskonale odbijające się ściany. Wnęka ta była wyobrażana jako zawierająca obiekty zwane oscylatorami, które pochłaniały i emitowały światło i ciepło. Biorąc pod uwagę wystarczająco dużo czasu, promieniowanie z takiego czarnego ciała wytworzyłoby kolorowy rozkład światła zwany widmem, który zależał tylko od temperatury czarnego ciała, a nie od tego, z czego zostało zrobione. Wielu naukowców próbowało znaleźć matematyczną zależność, która przewidywałaby, w jaki sposób oscylatory ciała czarnego mogą wytworzyć określony rozkład widmowy. Max Planck odkrył tę poprawną zależność matematyczną. Zakładał, że energia pochłaniana lub emitowana przez oscylatory jest zawsze wielokrotnością jakiegoś fundamentalnego „pakietu energii”, który nazwał kwantem. Obiekty, które emitują lub pochłaniają energię, robią to w dyskretnych ilościach, zwanych kwantami.

w tym samym czasie z Thomsonem i Rutherfordem pracował fizyk, Niels Bohr. Bohr sobie sprawę, że idea kwantu energii może wyjaśnić, jak elektrony w atomie są ułożone. Opisał elektrony jako będące „na orbicie” wokół jądra jak planety wokół Słońca. Podobnie jak oscylatory w czarnym ciele nie mogą mieć po prostu żadnej energii, elektrony w atomie nie mogą mieć po prostu żadnej orbity. Były tylko izotopy wodoru: Wodór, Deuter i trytu. Ilustracja autorstwa Hansa & Dzięki uprzejmości Gale Group.pewne odległości, na które pozwalała energia elektronu. Jeśli elektron danego atomu wchłonął dokładnie prawo kwantowej energii, może przenieść się dalej od jądra. Jeśli elektron dalej od jądra emituje dokładnie właściwy kwant energii, może zbliżyć się do jądra. Jakie dokładnie właściwe wartości były różne dla każdego elementu. Wartości te mogą być określone w procesie zwanym spektroskopią atomową, techniką eksperymentalną, która patrzyła na widmo światła wytwarzane przez atomy. Atom został ogrzany tak, że wszystkie jego elektrony zostały przeniesione daleko od jądra. Gdy zbliżyły się do jądra, elektrony zaczęły emitować kwanty energii jako światło. Spektrum wytwarzanego światła można było zbadać za pomocą pryzmatu. Wytworzone w ten sposób widmo nie pokazywało wszystkich możliwych kolorów, a jedynie te nieliczne, które odpowiadały energiom odpowiadającym różnicom orbity elektronów. Chociaż później rafinowane, Bohra „planetarny model” atomu wyjaśnił spektroskopii atomowej danych na tyle dobrze, że naukowcy odwrócili swoją uwagę z powrotem do jądra atomu.

Rutherford wraz z Frederickiem Soddym kontynuowali prace nad pierwiastkami radioaktywnymi. Soddy, w szczególności, zauważył, że ponieważ cząstki alfa i beta były emitowane z atomów, Atomy zmieniały się na jeden z dwóch sposobów: (1) pierwiastek stał się zupełnie innym pierwiastkiem z zupełnie nowymi reakcjami chemicznymi, lub (2) pierwiastek utrzymywał te same reakcje chemiczne i to samo widmo atomowe, ale tylko zmienił się w masie atomowej.

nazwał Atomy izotopów drugiej grupy, Atomy tego samego pierwiastka o różnej masie atomowej. W każdej naturalnej próbce pierwiastka może istnieć kilka rodzajów izotopów. W rezultacie masa atomowa pierwiastka obliczona przez Berzeliusa była w rzeczywistości średnią wszystkich mas izotopowych tego pierwiastka. Z tego powodu niektóre pierwiastki nie mieściły się w prawidłowej kolejności w układzie okresowym Mendelejewa—średnia masa atomowa zależała od ilości każdego rodzaju izotopu. Soddy zasugerował umieszczenie pierwiastków w układzie okresowym przez podobieństwo reakcji chemicznych, a następnie ich numerację w kolejności. Liczba przypisana w ten sposób każdemu pierwiastkowi nazywana jest liczbą atomową. Liczby atomowe były wygodnymi sposobami odniesienia do pierwiastków.

W międzyczasie Thomson kontynuował pracę z lampą Crookes. Odkrył, że nie tylko wytwarzane były promienie katodowe elektronów, ale także cząstki dodatnie. Po wielu żmudnych pracach był w stanie oddzielić wiele różnych rodzajów dodatnich cząstek wagowo. Na podstawie tych pomiarów był w stanie określić podstawową cząstkę, najmniejszą wyprodukowaną cząstkę dodatnią, zwaną protonem. Ponieważ były one wytwarzane przez atomy katody i ponieważ Rutherford wykazał, że jądro atomu było dodatnie, Thomson zdał sobie sprawę, że jądro atomu musi zawierać protony. Młody naukowiec Henry Moseley eksperymentował z bombardowaniem atomów różnych pierwiastków promieniami X. Podobnie jak w spektroskopii atomowej, gdzie ciepło daje elektronom więcej energii, promienie x dają protonom w jądrze więcej energii. I tak jak elektrony wydzielają światło o określonych energiach, gdy ochładzają się, jądro emituje promienie x o określonej energii, gdy ” de-excites.”Moseley odkrył, że energia emitowanego promieniowania x dla każdego elementu podążała za prostą matematyczną relacją. Energia zależała od liczby atomowej dla tego pierwiastka, a liczba atomowa odpowiadała liczbie dodatnich ładunków w jądrze. Prawidłowa kolejność układu okresowego polega na zwiększeniu liczby protonów w jądrze atomowym. Liczba protonów równa się liczbie elektronów w neutralnym atomie. Elektrony są odpowiedzialne za reakcje chemiczne. Pierwiastki w tej samej kolumnie układu okresowego mają podobne układy elektronów o najwyższych energiach i dlatego ich reakcje są podobne.

pozostał tylko jeden problem. Elektrony miały bardzo małą masę,1/1, 836 masy protonu. Jednak protony nie uwzględniały całej masy atomowej atomu. Dopiero w 1932 roku James Chadwick odkrył istnienie cząstki w jądrze bez ładunku elektrycznego, ale o masie nieco większej niż proton. Nazwał tę cząstkę neutronem. Neutrony są odpowiedzialne za istnienie izotopów. Dwa atomy tego samego pierwiastka będą miały tę samą liczbę protonów i elektronów, ale mogą mieć różną liczbę neutronów, a zatem różną masę atomową. Izotopy są nazywane przez podanie nazwy pierwiastka, a następnie liczby protonów i neutronów w jądrze. Suma protonów i neutronów nazywana jest liczbą masową. Na przykład uran-235 mA 235 protonów i neutronów. Możemy spojrzeć na układ okresowy, aby znaleźć liczbę atomową uranu (92), która mówi nam liczbę protonów. Następnie odejmując, wiemy, że ten izotop ma 143 neutrony. Istnieje inny izotop uranu, 238U, z 92 protonami i 146 neutronami. Niektóre kombinacje protonów i neutronów są mniej stabilne niż inne. Zdjęcie próby trzymania 10 kulek do kręgli w ramionach. Będzie jakiś układ, w którym będziesz mógł sobie z tym poradzić. Teraz spróbuj trzymać 11 lub tylko 9. Może nie być stabilnego układu i upuściłbyś kule do kręgli. To samo dzieje się z protonami i neutronami. Niestabilne układy spontanicznie rozpadają się, emitując cząstki, aż do osiągnięcia stabilnej struktury. W ten sposób powstaje radioaktywność jak cząstki alfa. Cząstki alfa zbudowane są z dwóch protonów i dwóch neutronów wylatujących z niestabilnego jądra.

Wodór ma trzy rodzaje izotopów: Wodór, 2h (Deuter) i 3h (trytu).

masy atomowe innych pierwiastków zostały pierwotnie porównane z wodorem bez określenia, który izotop. Trudno jest również uzyskać pojedyncze atomy wodoru, ponieważ zwykle reaguje z innymi atomami tworząc cząsteczki, takie jak H2 lub H2O. tak więc inny izotop pierwiastka został wybrany do porównania. Masy atomowe są teraz oparte na 12 C (węgiel-12). Izotop ten ma w jądrze sześć protonów i sześć neutronów. Węgiel-12 zdefiniowano jako 12 jednostek masy atomowej. (Jednostki masy atomowej, w skrócie UAM, są jednostkami używanymi do porównywania względnych mas atomów. Jeden amu to mniej niż 200 sekstylionów grama.) Każdy inny izotop każdego innego pierwiastka jest do tego porównywany. Następnie masy izotopów danego pierwiastka są uśredniane, aby dać masy atomowe Znalezione w układzie okresowym.

do tego momentu w historii atomu, wszystkie cząstki składające się na atom były uważane za twarde, jednolite kule. Począwszy od 1920 roku, dzięki pracy Louisa de Broglie, obraz ten uległ zmianie. De Broglie pokazał, że cząstki takie jak elektrony mogą czasami mieć właściwości fal. Na przykład, jeśli fale wodne są wytwarzane przez dwa źródła, takie jak upuszczenie dwóch kamyków do stawu, fale mogą zakłócać się nawzajem. Oznacza to, że wysokie plamy dodają się, aby uzyskać jeszcze wyższe plamy. Niskie plamy dodają do jeszcze niższych regionów. Kiedy elektrony zostały wykonane, aby podróżować przez podwójną szczelinę, z niektórymi elektronami przechodzącymi przez jedną szczelinę, a niektórymi przez drugą, skutecznie stworzyły dwa źródła. Elektrony wykazywały ten sam rodzaj interferencji, tworząc wzór na płytce zbiorczej. Zdolność elektronów i innych cząstek do czasami wykazywania właściwości cząstek, a czasami fal, nazywana jest dualizmem falowo-cząstkowym. Ta komplikacja natury elektronu oznaczała, że pomysł Bohra na ATOM planetarny nie był do końca słuszny. Elektrony mają różne dyskretne Energie, ale nie podążają za kołowymi orbitami. W 1925 Werner Heisenberg stwierdził, że dokładna prędkość i położenie elektronu nie mogą być znane w tym samym czasie. Ta „zasada nieoznaczoności Heisenberga” zainspirowała Erwina Schrödingera do opracowania równania do obliczenia, jak porusza się elektron o określonej energii. Równanie Schrödingera opisuje obszary w atomie, w których elektron o określonej energii może być, ale nie dokładnie tam, gdzie jest. Ten obszar prawdopodobieństwa nazywany jest orbitalem. Elektrony poruszają się tak szybko wewnątrz tych orbitali, że możemy myśleć o nich jak o rozmyciu się w chmurze elektronowej. Elektrony poruszają się z jednego orbitalu do drugiego przez absorbowanie lub emitowanie kwantowej energii, tak jak wyjaśnił Bohr.