Atomi

Rakenne

Atomi jaetaan ytimeen, joka koostuu protoneista ja neutroneista, ja ytimen ulkopuolella olevaan protoneihin nähden samaan määrään elektroneja. Elektronin todennäköistä sijaintia kuvataan teoreettisella todennäköisyysjakaumalla. Tätä aluetta, missä elektroni voi teoreettisesti sijaita, kutsutaan myös elektronipilveksi, -verhoksi tai -kuoreksi. Protonit ja neutronit ovat massaltaan moninkertaisesti elektroneja suurempia, ja atomin massa onkin pitkälti keskittynyt ytimeen. Ytimen ja elektronipilven väliin jää täysin tyhjää tilaa ja suurin osa atomin tilavuudesta onkin tyhjää.
Atomin todellista rakennetta on hankala kuvata täsmällisesti ja atomia kuvatessa tyydytään suuripiirteiseen ja yksinkertaistettuun kuvaamiseen. Ns. Rutherfordin atomimallissa elektroni kuvataan kiertämään tiettyä, usein pyöreän muotoista rataa, vaikkei todellisuudessa tarkkaa rataa voida laskea. Ytimen ja elektroniverhon välinen etäisyys joudutaan kuvaamaan hyvin yksinkertaisesti, sillä jos atomin ydin olisi marmorikuulan kokoinen, elektroni sijaitsisi 50 metrin päässä.

Elektronipilvi

Atomiytimen ympärillä sijaitsee protoneihin nähden sama määrä elektroneja (e⁻), joiden todennäköistä sijaintia kuvastaa teoreettinen todennäköisyysjakauma. Elektronit eivät kulje ympyräradalla, eikä edes jatkuvaa käyrää pitkin, niillä ei ole määriteltyä kulmanopeutta, eikä hetkellistä nopeutta. Elektroni ei sanan varsinaisessa merkityksessä siten "liiku" tai "kierrä" lainkaan vaan "on olemassa" tietyssä pisteessä tietyllä hetkellä, todennäköisyydellä ja etäisyydellä atomiytimestä. 
Saman alkuaineen kaikissa atomeissa on yhtä monta protonia. Protonien lukumäärä on samalla alkuaineen järjestysluku jaksollisessa järjestelmässä. Saman alkuaineen atomeilla voi kuitenkin olla eri määrä neutroneja ja sen mukaisesti eri massaluku. Tällä tavalla toisistaan eroavia atomeja sanotaan alkuaineen eri isotoopeiksi. Saman alkuaineen eri isotooppien kemialliset ominaisuudet ovat samanlaisia, mutta ne voivat erota esimerkiksi radioaktiivisuutensa puolesta.
Atomin ydin määrää siis alkuaineen, mutta elektroniverho sen, millaisia ioneja ja yhdisteitä voi syntyä. Elektroniverhossa ovat mahdollisia vain tietyt muutokset, jotka määräytyvät elektronien energiatilan mukaan. Kaikista vakaimmat ja vähiten reagoivat alkuaineet ovat jalokaasut, koska niillä on 8 elektronia uloimmalla kuorellaan, eli ne ovat oktetissa.
Elektronit jakaantuvat eri pääkvanttitasoille eli elektronikuorille. Ytimestä ulospäin tasot ovat joko 1, 2, 3, 4, 5, 6 ja 7 tai vaihtoehtoisesti K-, L-, M-, N-, O-, P- ja Q-tasot. Elektroneja mahtuu ensimmäiselle eli K-tasolle vain kaksi kappaletta. Toiselle energiatasolle mahtuu 8 elektronia, kolmannelle tasolle 18 kappaletta, neljännelle 32 kappaletta, viidennelle 50 kappaletta, kuudennelle 72 kappaletta ja seitsemännelle 98 kappaletta. Q-taso on ytimestä katsottuna etäisin, jossa minkään nykyisin tunnetun alkuaineen atomilla on perustilassa elektroneja. Elektronien maksimilukumäärä yhdellä energiatasolla voidaan laskea yksinkertaisella laskutoimituksella 2 · n², missä ’n’ korvataan tason järjestysluvulla. Näin teoreettisesti kuvitteelliselle kahdeksannelle tasolle mahtuvat elektronit lasketaan 2 · 8² = 128, eli kahdeksannelle tasolle mahtuisi teoriassa 128 elektronia.
Ioneja muodostuu, kun atomi tai kemiallinen yhdiste luovuttaa tai ottaa vastaan yhden tai useamman elektronin.
Kemiallisissa reaktioissa osa atomien elektroneista voi siirtyä myös kahden atomin yhteisille orbitaaleille. Tällä tavoin atomien välille syntyy kovalenttinen sidos, joka yhdistää atomit molekyyliksi. Kemialliset yhdisteet koostuvat yleensä joko tällä tavoin muodostuneista molekyyleistä tai positiivisista ja negatiivisista ioneista. Useat alkuaineetkin esiintyvät kahden tai useamman samanlaisen atomin muodostamina molekyyleinä.

Atomimalleja

Reilu 2 000 vuotta sitten filosofi Platon esitteli teoksessaan Timaios eri alkuaineiden atomeja. Hän yhdisti jokaiseen klassiseen alkuaineeseen – maahan, ilmaan, tuleen ja veteen – säännöllisen monikulmion, niin kutsutun Platonin kappaleen, niin että maata vastasi kuutio, ilmaa oktaedri, vettä ikosaedri ja tulta tetraedri. Platon ajatteli jokaisen alkuaineen koostuvan omanlaisistaan atomeista, kuten nykyteoriatkin olettavat.
Nykyisistä, tieteellisiin havaintoihin perustuvista atomimalleista ensimmäinen on elektronin löytäjän Joseph Thomsonin rusinapullamalli. Atomin oli havaittu olevan sähköisesti neutraali, mutta koostuvan erimerkkisesti varautuneista hiukkasista. Klassisen teorian mukaan ainoa mahdollinen pysyvä atomimalli oli sellainen, jossa positiiviset ja negatiiviset hiukkaset ovat tasaisesti levittyneet atomiin kuin rusinat pullaan.
Ernest Rutherford teki kuitenkin kokeen, jossa hän pommitti ohutta kultakalvoa alfahiukkasilla. Suureksi yllätyksekseen hän havaitsi, että pieni osa hiukkasista kimposi kalvosta takaisin muiden mennessä läpi, ikään kuin suurin osa atomista olisi tyhjää täynnä ja vain pieni ydin sisältäisi kaiken massan. Rutherford päätyi aurinkokuntamalliin, jossa elektronit kiertävät positiivista ydintä samaan tapaan kuin planeetat aurinkoa. Rutherfordin atomimallin mukainen atomi ei kuitenkaan klassisen fysiikan mukaan olisi vakaa, sillä ympyräliikkeessä olevat elektronit säteilisivät energiansa pian pois.
Niels Bohr ratkaisi ongelman esittämällä, että elektronit kiertävät ydintä vain tietyillä pysyvillä, stationaarisilla radoilla. Bohrin mallissa elektronit säteilevät vain siirtyessään radalta toiselle absorboimalla tai emittoimalla fotonin. Mallin heikkoudet liittyvät siihen, että se ei mitenkään selitä tätä kvantittumista. Lopulta fyysikot kuten Erwin Schrödinger saivat kehitettyä kvanttimekaanisen atomimallin, jossa elektronit muodostavat ytimen ympärille todennäköisyyspilviä: koskaan ei voi tietää varmasti, missä elektroni on, vaan se on ikään kuin levittäytynyt koko avaruuteen. Kvanttimekaniikan monimutkaisuuden ja järjenvastaisuuden vuoksi Rutherfordin ja Bohrin yksinkertaisia malleja käytetään edelleen opetuksessa, ja useimmat ihmiset ajattelevatkin atomeja edelleen pieninä aurinkokuntina. Kvanttimekaaninen atomimalli on kuitenkin todistettu päteväksi useilla äärimmäisen tarkoilla kokeilla.