en av de första attributen för atomer som ska beskrivas var relativ atomvikt. Även om en enda atom var för liten för att väga, kunde atomer jämföras med varandra. Kemisten Jons Berzelius antog att lika stora volymer gaser vid samma temperatur och tryck innehöll lika många atomer. Han använde den här tanken tillUtvecklingen av atomteori. Illustration av hans & Cassidy. Med tillstånd av Gale Group.jämför vikterna av reagerande gaser. Han kunde bestämma att till exempel syreatomer var 16 gånger tyngre än väteatomer. Han gjorde en lista över dessa relativa atomvikter för så många element som han visste. Han utformade symboler för elementen genom att använda den första bokstaven eller de två första bokstäverna i deras latinska namn, ett system som fortfarande används idag. Symbolen för väte är H, för syre är O, för natrium (natrium, på Latin) är Na, och så vidare. Symbolerna visade sig också vara användbara för att beskriva hur många atomer som kombineras för att bilda en molekyl av en viss förening. För att till exempel visa att vatten består av två väteatomer och en syreatom är symbolen för vatten H2O. en syreatom kan till och med kombinera med en annan syreatom för att producera en syremolekyl med symbolen O2 .

När fler och fler element fortsatte att upptäckas blev det bekvämt att börja lista dem i symbolform i ett diagram. År 1869 listade Dmitri Mendeleev elementen i ordning för att öka atomvikten och grupperade element som tycktes ha liknande kemiska reaktioner. Till exempel är litium (Li), natrium (Na) och kalium (K) alla metalliska element som brister i flamma om de blir våta. Liknande element placerades i samma kolumn i hans diagram. Mendeleev började se ett mönster bland elementen, där varje åttonde element på atomviktlistan skulle tillhöra samma kolumn. På grund av denna periodicitet eller upprepande mönster kallas Mendeleevs diagram ”elementens periodiska tabell.”Bordet var så regelbundet att när det fanns ett ”hål” i bordet förutspådde Mendeleev att ett element så småningom skulle upptäckas för att fylla platsen. Till exempel fanns det ett utrymme för ett element med en atomvikt på cirka 72 (72 gånger tyngre än väte) men inget känt element. 1886, 15 år efter dess förutsägelse, isolerades elementet Germanium (Ge) och befanns ha en atomvikt på 72,3. Många fler element fortsatte att förutsägas och hittas på detta sätt. Men när fler element tillsattes till det periodiska systemet, fann man att om vissa element placerades i rätt kolumn på grund av liknande reaktioner följde de inte rätt ordning för ökande atomvikt. Någon annan atomkaraktäristik behövdes för att beställa elementen ordentligt. Många år gick innan rätt egendom hittades.

När kemiexperiment letade efter och karakteriserade fler element gjorde andra vetenskapsgrenar upptäckter om elektricitet och ljus som skulle bidra till utvecklingen av atomteori. Michael Faraday hade gjort mycket arbete för att karakterisera elektricitet; James Clerk Maxwell karakteriserade ljus. På 1870-talet byggde William Crookes en apparat, nu kallad ett Crookes-rör, för att undersöka ”strålar” som avges av metaller. Han ville avgöra om strålarna var ljus eller elektricitet baserat på Faradays och Maxwells beskrivningar av båda. Crookes rör bestod av en glödlampa, från vilken det mesta av luften hade tagits bort och inneslutit två metallplattor som kallades elektroder. En elektrod kallades anoden och den andra kallades katoden. Plattorna hade vardera en tråd som ledde utanför glödlampan till en elkälla. När elektricitet applicerades på elektroderna verkade strålar komma från katoden. Crookes bestämde att dessa katodstrålar var partiklar med en negativ elektrisk laddning som avges av katodplattans metall. 1897 upptäckte J. J. Thomson att dessa negativt laddade partiklar kom ut ur atomerna och måste ha varit närvarande i metallatomerna till att börja med. Han kallade dessa negativt laddade subatomära partiklar ” elektroner.”Eftersom elektronerna var negativt laddade, måste resten av atomen vara positivt laddad. Thomson trodde att elektronerna var utspridda i atomen som russin i en positivt laddad bröddeg eller som plommon i en pudding. Även om Thomsons” plum-pudding ” – modell inte var korrekt var det det första försöket att visa att atomer var mer komplexa än bara homogena sfärer.samtidigt undersökte forskare andra typer av mystiska strålar som kom från Crookes-röret som inte härstammar från dess katod. År 1895 märkte Wilhelm Roentgen att fotografiska plattor som hölls nära ett Crookes-rör skulle bli dimmade av några osynliga, okända strålar. Roentgen kallade dessa strålar ”röntgenstrålar”, med hjälp av” x ” för okänt som i matematik. Roentgen etablerade också användningen av fotografiska plattor som ett sätt att ta bilder av mystiska strålar. Han fann att genom att blockera röntgenstrålarna med handen, till exempel, ben skulle blockera röntgenstrålarna men hud och vävnad skulle inte. Läkare använder fortfarande röntgenstrålar för att avbilda människokroppen.

Fotografiska plattor blev standardutrustning för forskare från Roentgens tid. En av dessa forskare, Henri Becquerel, lämnade några fotografiska plattor i en låda med uran, ett nytt element han studerade. När han tog bort plattorna fann han att de hade blivit dimmiga. Eftersom det inte fanns något annat i lådan, drog han slutsatsen att uranet måste ha avgivit någon typ av stråle. Becquerel visade att denna strålning inte var så penetrerande som röntgenstrålar eftersom den kunde blockeras av papper. Elementet själv producerade aktivt strålning, en egenskap som kallas radioaktivitet. Till stor del genom Pierre och Marie Curies arbete hittades mer radioaktiva element. Försöken att karakterisera de olika typerna av radioaktivitet ledde till nästa stora kapitel i utvecklingen av atomteori.1896 började Ernest Rutherford, en student av J. J. Thomson, studera radioaktivitet. Genom att testa olika element och bestämma vilka typer av material som kan blockera strålningen från att nå en fotografisk platta drog Rutherford slutsatsen att det fanns två typer av radioaktivitet som kommer från element. Han namngav dem med de två första bokstäverna i det grekiska alfabetet, alfa och beta. Alfastrålning gjordes av positivt laddade partiklar ungefär fyra gånger så tunga som en väteatom. Betastrålning gjordes av negativt laddade partiklar som tycktes vara precis som elektroner. Rutherford bestämde sig för att prova ett experiment med alfapartiklarna. Han satte upp en bit tunn guldfolie med fotografiska plattor som omger den. Han tillät sedan alfapartiklar att träffa guldet. De flesta alfapartiklarna gick rakt igenom guldfolien. Men några av dem gjorde det inte. Några alfapartiklar avböjdes från deras raka kurs. Några kom till och med rakt bakåt. Rutherford skrev att det var lika förvånande som om man hade skjutit en kula på en bit tissuepapper bara för att få det studsa tillbaka. Rutherford drog slutsatsen att eftersom de flesta alfapartiklarna gick igenom, måste guldets atomer mestadels vara tomt utrymme, inte Thomsons rymdfyllande plommonpudding. Eftersom några av alfapartiklarna avböjdes måste det finnas en tätt packad positiv region i varje atom som han kallade kärnan. Med all den positiva laddningen i kärnan var nästa fråga arrangemanget av elektronerna i atomen.1900 hade fysikern Max Planck studerat processer av ljus och värme, speciellt försökt förstå ljusstrålningen som avges av en ”svart kropp”, en idealisk hålighet gjord av perfekt reflekterande väggar. Denna hålighet föreställdes som att innehålla föremål som kallades oscillatorer som absorberade och emitterade ljus och värme. Med tanke på tillräckligt med tid skulle strålningen från en sådan svart kropp producera en färgad ljusfördelning som kallas ett spektrum som bara berodde på temperaturen hos den svarta kroppen och inte på vad den var gjord av. Många forskare försökte hitta ett matematiskt förhållande som skulle förutsäga hur oscillatorerna i en svart kropp kunde producera en viss spektralfördelning. Max Planck fann det korrekta matematiska förhållandet. Han antog att energin som absorberades eller emitterades av oscillatorerna alltid var en multipel av något grundläggande ”energipaket” som han kallade en kvant. Objekt som avger eller absorberar energi gör det i diskreta mängder, kallad kvanta.

samtidigt var det en fysiker som arbetade med Thomson och Rutherford som heter Niels Bohr. Bohr insåg att tanken på en kvant energi kunde förklara hur elektronerna i atomen är ordnade. Han beskrev elektronerna som ”i omlopp” runt kärnan som planeter runt solen. Liksom oscillatorer i en svart kropp kunde inte bara ha någon energi, elektroner i atomen kunde inte bara ha någon omlopp. Det fanns baraväteisotoper: väte, deuterium och tritium. Illustration av hans & Cassidy. Med tillstånd av Gale Group.vissa avstånd som tillåts av den energi som en elektron hade. Om en elektron av en viss atom absorberade exakt rätt energikvantum, kunde den röra sig längre bort från kärnan. Om en elektron längre från kärnan emitterade exakt rätt energikvantum, kunde den röra sig närmare kärnan. Vad de exakt rätt värdena skilde sig åt för varje element. Dessa värden kan bestämmas av en process som kallas atomspektroskopi, en experimentell teknik som tittade på det ljusspektrum som produceras av atomer. En atom värmdes så att alla dess elektroner flyttades långt ifrån kärnan. När de rörde sig närmare kärnan skulle elektronerna börja avge sin kvanta energi som ljus. Det spektrum av ljus som produceras kan undersökas med hjälp av ett prisma. Spektrumet som producerades på detta sätt visade inte alla möjliga färger, utan bara de få som matchade energierna som motsvarade elektronbanans skillnader. Även om det senare förfinades, förklarade Bohrs ”planetmodell” av atomen atomspektroskopidata tillräckligt bra för att forskare vände sin uppmärksamhet tillbaka till atomens kärna.Rutherford, tillsammans med Frederick Soddy, fortsatte arbetet med radioaktiva ämnen. Soddy, särskilt, märkte att när alfa – och betapartiklar emitterades från atomer, atomerna förändrades på ett av två sätt: (1) elementet blev ett helt annat element med helt nya kemiska reaktioner, eller (2) elementet upprätthöll samma kemiska reaktioner och samma atomspektrum men förändrades bara i atomvikt.

han kallade atomer av den andra gruppen isotoper, atomer av samma element med olika atomvikter. I något naturligt prov av ett element kan det finnas flera typer av isotoper. Som ett resultat var atomvikten för ett element som beräknades av Berzelius faktiskt ett genomsnitt av alla isotopvikter för det elementet. Detta var anledningen till att vissa element inte föll i rätt ordning på Mendeleevs periodiska bord—Den genomsnittliga atomvikten berodde på hur mycket av varje typ av isotop var närvarande. Soddy föreslog att elementen placerades i det periodiska systemet genom likhet av kemiska reaktioner och sedan numrerade dem i ordning. Numret som tilldelas varje element på detta sätt kallas atomnumret. Atomnumren var praktiska sätt att hänvisa till element.under tiden hade Thomson fortsatt sitt arbete med Crookes-röret. Han fann att inte bara katodstrålar av elektroner producerades, men det var också positiva partiklar. Efter mycket noggrant arbete kunde han skilja de många olika typerna av positiva partiklar efter vikt. Baserat på dessa mätningar kunde han bestämma en grundläggande partikel, den minsta positiva partikeln som producerades, kallad en proton. Eftersom dessa producerades av katodens atomer och eftersom Rutherford visade att atomens kärna var positiv, insåg Thomson att kärnan i en atom måste innehålla protoner. En ung forskare vid namn Henry Moseley experimenterade med att bombardera atomer av olika element med röntgenstrålar. Precis som i atomspektroskopi, där värme ger elektroner mer energi, ger röntgenstrålar protoner i kärnan mer energi. Och precis som elektroner ger ut ljus av specifika energier när de svalnar, avger kärnan röntgenstrålar av en specifik energi när den ”exciterar.”Moseley upptäckte att energin hos de utsända röntgenstrålarna för varje element följde ett enkelt matematiskt förhållande. Energin berodde på atomnumret för det elementet, och atomnumret motsvarade antalet positiva laddningar i kärnan. Så den korrekta ordningen av det periodiska bordet är genom att öka antalet protoner i atomkärnan. Antalet protoner är lika med antalet elektroner i en neutral atom. Elektronerna är ansvariga för de kemiska reaktionerna. Element i samma kolumn i det periodiska systemet har liknande arrangemang av elektroner med de högsta energierna, och det är därför deras reaktioner är likartade.

bara ett problem kvarstod. Elektroner hade mycket liten vikt, 1/1 836 vikten av en proton. Ändå redogjorde protonerna inte för hela atomvikten hos en atom. Det var inte förrän 1932 som James Chadwick upptäckte förekomsten av en partikel i kärnan utan elektrisk laddning men med en vikt något större än en proton. Han kallade denna partikel neutronen. Neutroner är ansvariga för förekomsten av isotoper. Två atomer av samma element kommer att ha samma antal protoner och elektroner men de kan ha olika antal neutroner och därför olika atomvikter. Isotoper namnges genom att ange elementets namn och sedan antalet protoner plus neutroner i kärnan. Summan av protoner och neutroner kallas massnumret. Till exempel har uran-235 235 protoner och neutroner. Vi kan titta på ett periodiskt bord för att hitta uranets atomnummer (92) som berättar antalet protoner. Sedan genom att subtrahera vet vi att denna isotop har 143 neutroner. Det finns en annan isotop av uran, 238U, med 92 protoner och 146 neutroner. Vissa kombinationer av protoner och neutroner är mindre stabila än andra. Bild försöker hålla 10 bowlingklot i armarna. Det kommer att finnas något arrangemang där du kanske kan hantera det. Försök nu hålla 11 eller bara nio. Det kanske inte finns ett stabilt arrangemang och du skulle släppa bowlingbollarna. Samma sak händer med protoner och neutroner. Instabila arrangemang faller spontant isär och avger partiklar tills en stabil struktur uppnås. Så här produceras radioaktivitet som alfapartiklar. Alfapartiklar är gjorda av två protoner och två neutroner som tumlar ut ur en instabil kärna.

väte har tre typer av isotoper: väte, 2h (deuterium) och 3H (tritium).

atomvikterna för de andra elementen jämfördes ursprungligen med väte utan att specificera vilken isotop. Det är också svårt att få enstaka atomer av väte eftersom det vanligtvis reagerar med andra atomer för att bilda molekyler som H2 eller H2O. så ett annat Elements isotop valdes för jämförelse. Atomvikterna är nu baserade på 12 C (kol-12). Denna isotop har sex protoner och sex neutroner i sin kärna. Kol-12 definierades som 12 atommassaenheter. (Atommassanheter, förkortat amu, är enheter som används för att jämföra atomernas relativa vikter. En amu är mindre än 200 sextillionths av ett gram.) Varannan isotop av alla andra element jämförs med detta. Sedan är vikterna för ett givet Elements isotoper i genomsnitt för att ge de atomvikter som finns på det periodiska bordet.

fram till denna punkt i atomens berättelse ansågs alla partiklar som innefattade atomen vara hårda, enhetliga sfärer. Från och med 1920 med Louis de Broglies arbete förändrades denna bild. De Broglie visade att partiklar som elektroner ibland kan ha egenskaper hos vågor. Till exempel, om vattenvågor produceras av två källor, som att släppa två stenar i en damm, kan vågorna störa varandra. Detta innebär att höga fläckar lägger till för att göra ännu högre fläckar. Låga fläckar lägger till för att göra ännu lägre regioner. När elektroner gjordes för att resa genom en dubbel slits, med några elektroner som gick igenom en slits och några genom den andra, skapade de effektivt två källor. Elektronerna visade samma typ av störning och producerade ett mönster på en uppsamlingsplatta. Förmågan hos elektroner och andra partiklar att ibland visa egenskaper hos partiklar och ibland av vågor kallas vågpartikeldualitet. Denna komplikation till elektronens natur innebar att Bohrs uppfattning om en planetarisk atom inte var helt rätt. Elektronerna har olika diskreta energier, men de följer inte cirkulära banor. 1925 uppgav Werner Heisenberg att den exakta hastigheten och platsen för en elektron inte båda kan vara kända samtidigt. Denna ”Heisenberg-osäkerhetsprincip” inspirerade Erwin Schr Occuldinger att utforma en ekvation för att beräkna hur en elektron med en viss energi rör sig. Schr occuldingers ekvation beskriver regioner i en atom där en elektron med en viss energi sannolikt kommer att vara men inte exakt var den är. Denna sannolikhetsregion kallas en orbital. Elektroner rör sig så snabbt inom dessa orbitaler att vi kan tänka på dem som suddiga i ett elektronmoln. Elektroner rör sig från en orbital till en annan genom att absorbera eller avge en kvantitet energi, precis som Bohr förklarade.