La teoria atomica è una descrizione scientifica della natura di atomi e importa che combina elementi di fisica, chimica e matematica. Secondo la teoria moderna, la materia è costituita da minuscole particelle chiamate atomi, che a loro volta sono costituite da particelle subatomiche. Atomi di un dato elemento sono identici per molti aspetti e diversi dagli atomi di altri elementi. Gli atomi si combinano in fissi proporzioni con altri atomi per formare molecole e composti.
La teoria si è evoluta nel tempo, dalla filosofia dell'atomismo alla moderna meccanica quantistica. Ecco una breve storia della teoria atomica:
La teoria atomica ebbe origine come concetto filosofico nell'antica India e in Grecia. La parola "atomo" deriva dall'antica parola greca Atomos, il che significa indivisibile. Secondo l'atomismo, la materia è costituita da particelle discrete. Tuttavia, la teoria era una delle molte spiegazioni per la materia e non era basata su dati empirici. Nel V secolo a.C., Democrito propose che la materia fosse costituita da unità indistruttibili e indivisibili chiamate atomi. Il poeta romano Lucrezio registrò l'idea, quindi sopravvisse attraverso il Medioevo per una successiva considerazione.
Ci volle fino alla fine del XVIII secolo perché la scienza fornisse prove concrete dell'esistenza di atomi. Nel 1789, Antoine Lavoisier formulò la legge di conservazione della massa, che afferma che la massa dei prodotti di una reazione è la stessa della massa dei reagenti. Dieci anni dopo, Joseph Louis Proust ha proposto la legge di proporzioni definite, in base alla quale le masse di elementi in un composto si presentano sempre nella stessa proporzione.
Queste teorie non facevano ancora riferimento agli atomi John Dalton costruito su di loro per sviluppare la legge di proporzioni multiple, che afferma che i rapporti di masse di elementi in un composto sono piccoli numeri interi. La legge di Dalton di proporzioni multiple si basava su dati sperimentali. Ha proposto che ogni elemento chimico sia costituito da un singolo tipo di atomo che non potrebbe essere distrutto con alcun mezzo chimico. La sua presentazione orale (1803) e la pubblicazione (1805) segnarono l'inizio della teoria atomica scientifica.
Nel 1811, Amedeo Avogadro ha corretto un problema con la teoria di Dalton quando ha proposto che volumi uguali di gas a temperatura e pressione uguali contengano lo stesso numero di particelle. La legge di Avogadro ha permesso di stimare accuratamente le masse atomiche di elementi e ha fatto una chiara distinzione tra atomi e molecole.
Un altro contributo significativo alla teoria atomica fu dato nel 1827 dal botanico Robert Brown, il quale notò che le particelle di polvere che galleggiavano nell'acqua sembravano muoversi casualmente senza motivo noto. Nel 1905, Albert Einstein postulò che il moto browniano era dovuto al movimento delle molecole d'acqua. Il modello e la sua validazione nel 1908 di Jean Perrin supportarono la teoria atomica e la teoria delle particelle.
Fino a questo punto, si riteneva che gli atomi fossero le più piccole unità di materia. Nel 1897, J.J. Thomson ha scoperto l'elettrone. Credeva che gli atomi potessero essere divisi. Poiché l'elettrone portava una carica negativa, propose un modello di budino di prugne dell'atomo, in cui gli elettroni erano incorporati in una massa di carica positiva per produrre un atomo elettricamente neutro.
Ernest Rutherford, uno degli studenti di Thomson, confutò il modello di budino di prugne nel 1909. Rutherford scoprì che la carica positiva di un atomo e la maggior parte della sua massa erano al centro, o nucleo, di un atomo. Descrisse un modello planetario in cui gli elettroni orbitavano attorno a un piccolo nucleo a carica positiva.
Rutherford era sulla buona strada, ma il suo modello non era in grado di spiegare gli spettri di emissione e assorbimento degli atomi, né il motivo per cui gli elettroni non si schiantarono contro il nucleo. Nel 1913, Niels Bohr propose il modello Bohr, che afferma che gli elettroni orbitano attorno al nucleo solo a specifiche distanze dal nucleo. Secondo il suo modello, gli elettroni non potevano avanzare a spirale nel nucleo ma potevano fare salti quantici tra i livelli di energia.
Il modello di Bohr spiegava le linee spettrali dell'idrogeno ma non si estendeva al comportamento degli atomi con più elettroni. Diverse scoperte hanno ampliato la comprensione degli atomi. Nel 1913, Frederick Soddy descrisse gli isotopi, che erano forme di un atomo di un elemento che conteneva diversi numeri di neutroni. I neutroni furono scoperti nel 1932.
Louis de Broglie propose un comportamento ondulatorio di particelle in movimento, che Erwin Schrödinger descrisse usando l'equazione di Schrödinger (1926). Questo, a sua volta, portò al principio di incertezza di Werner Heisenberg (1927), che afferma che non è possibile conoscere contemporaneamente sia la posizione che la quantità di moto di un elettrone.
La meccanica quantistica ha portato a una teoria atomica in cui gli atomi sono costituiti da particelle più piccole. L'elettrone può potenzialmente essere trovato ovunque nell'atomo ma si trova con la massima probabilità in un orbitale atomico o livello di energia. Piuttosto che le orbite circolari del modello di Rutherford, la moderna teoria atomica descrive orbitali che possono essere sferici, a forma di manubrio, ecc. Per gli atomi con un elevato numero di elettroni, entrano in gioco gli effetti relativistici, poiché le particelle si muovono ad una frazione della velocità della luce.
Gli scienziati moderni hanno scoperto particelle più piccole che compongono i protoni, i neutroni e gli elettroni, sebbene l'atomo rimanga la più piccola unità di materia che non può essere divisa usando mezzi chimici.