اتم
اَتُم کوچکترین ذرهٔ تشکیل دهندهٔ ماده است و خواصی مشابه آن ماده دارد که می‌تواند به کمک پیوند شیمیایی به اتمی دیگر متصل گردد. هر مادهٔ جامد، مایع، گاز و پلاسما از اتم‌های خنثی یا یونیزه تشکیل شده‌است. تئوری اتم گرایی که از عقیدهٔ تشکیل مواد از ریزدانه‌های نادیدنی (در برابر عقیده به تفکیک‌پذیر بودن مواد تا بی‌نهایت) دفاع می‌کرد از تاریخ باستان شناخته شده بود.
اتم از یک هسته مرکزی با بار مثبت محاطه شده با ابر الکترونی با بار منفی تشکیل شده‌است. تعریف دیگری آن را به عنوان کوچکترین واحدی در نظر می‌گیرد که ماده را می‌توان به آن تقسیم کرد بدون اینکه اجزاء بارداری از آن خارج شود. اتم ابری الکترونی، تشکیل‌شده از الکترونها با بار الکتریکی منفی، که هستهٔ اتم را احاطه کرده‌است. هسته نیز خود از پروتون که دارای بار مثبت است و نوترون که از لحاظ الکتریکی خنثی است تشکیل شده‌است. زمانی که تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های اتم با هم برابر هستند اتم از نظر الکتریکی در حالت خنثی یا متعادل قرار دارد؛ در غیر این صورت آن را یون می‌نامند که می‌تواند دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی باشد. اتم‌ها با توجه به تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های آن‌ها طبقه‌بندی می‌شوند. تعداد پروتون‌های اتم مشخص‌کننده نوع عنصر شیمیایی و تعداد نوترون‌ها مشخص‌کنندهٔ ایزوتوپ عنصر است. ۹۹٫۹۴٪ جرم یک اتم در هسته قرار دارد. نظریهٔ مکانیک کوانتومی تصویر پیچیده‌ای از اتم ارائه می‌دهد و این پیچیدگی دانشمندان را مجبور می‌کند که جهت توصیف خواص اتم بجای یک تصویر متوسل به تصاویر شهودی متفاوتی از اتم شوند. بعضی وقت‌ها مناسب است که به الکترون به عنوان یک ذرهٔ متحرک به دور هسته نگاه کرد و گاهی مناسب است به آن‌ها عنوان ذراتی که در امواجی با موقعیت ثابت در اطراف هسته (مدار: orbits) توزیع شده‌اند نگاه کرد. ساختار مدارها تا حد بسیار زیادی روی رفتار اتم تأثیر گذارده و خواص شیمیایی یک ماده توسط نحوهٔ دسته‌بندی این مدارها معین می‌شود.
جهت بررسی اجزاء یک ماده، می‌توان به صورت پی در پی آن را تقسیم کرد. اکثر مواد موجود در طبیعت ترکیب شلوغی از مولکول‌های مختلف است. با تلاش نسبتاً کمی می‌توان این مولکول‌ها را از هم جدا کرد. مولکول‌ها خودشان متشکل از اتم‌ها هستند که توسط پیوندهای شیمیایی به هم پیوند خورده‌اند. با مصرف انرژی بیشتری می‌توان اتم‌ها را از مولکول‌ها جدا کرد. اتم‌ها خود از اجزاء ریزتری به نام هسته و الکترون تشکیل شده که توسط نیروهای الکتریکی به هم پیوند خورده‌اند و شکستن آن‌ها انرژی بسی بیشتری طلب می‌کند. اگر سعی در شکستن این زیر اتمی با صرف انرژی زیاد بکنیم، کار ما باعث تولید شدن ذرات جدیدی می‌شویم که خیلی از آن‌ها بار الکتریکی دارند. همان‌طور که اشاره شد اتم از هسته و الکترون تشکیل شده‌است. جرم اصلی اتم در هسته قرار دارد؛ فضای اطراف هسته عموماً فضای خالی می‌باشد. هسته خود از پروتون (که بار مثبت دارد)، و نوترون (که بار خنثی دارد) تشکیل شده‌است. الکترون هم بار منفی دارد. این سه ذره عمری طولانی داشته و در تمامی اتم‌های معمولی که به صورت طبیعی تشکیل می‌شوند یافت می‌شوند. به جز این سه ذره، ذرات دیگری نیز در ارتباط با آن‌ها ممکن است موجود باشد؛ می‌توان این ذرات دیگر را با صرف انرژی زیاد نیز تولید کرد ولی عموماً این ذرات زندگی کوتاهی داشته و از بین می‌روند.
اتم‌ها مستقل از اینکه چند الکترون داشته باشند (۳ تا ۹۰ تا)، همه تقریباً یک اندازه دارند. به صورت تقریبی اگر ۵۰ میلیون اتم را کنار هم روی یک خط بگذاریم، اندازه آن یک سانتیمتر می‌شود. به دلیل اندازهٔ کوچک اتم‌ها، آن‌ها را با واحدی به نام آنگستروم که برابر ۱۰ متر است می‌سنجند.
با وجود اینکه منظور از "اتم" ذره‌ای تجزیه ناپذیر بود، امروز می‌دانیم که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده‌است. الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها ذرات تشکیل دهندهٔ اتم هستند. البته یون هیدروژن بدون الکترون و نیز بدون نوترون؛ هیدروژن +۱ است.
در مدل استاندارد، الکترون‌ها ذرات بنیادی، هسته یعنی بدون ساختار داخلی، پنداشته می‌شوند؛ در حالی که پروتون‌ها و نوترون‌ها از ذرات دیگری به نام کوارک تشکیل شده‌اند.
هسته دارای نوترون و پروتون است. پروتون دارای بار مثبت (+) و نوترون بدون بار است؛ و در خارج از هسته الکترون وجود دارد که بار آن منفی (-) است.
این مدل پیشنهاد شده توسط اروین شرودینگر و ایدهٔ چندین دانشمند و محقق در سال ۱۹۳۵ می‌باشد. در این مدل مانند مدل بور (منظومه شمسی) هسته عمدهٔ جرم اتم را تشکیل می‌دهد و در مرکز، الکترون با انرژی مختلف به دور هسته در گردش می‌باشد و الکترون‌ها در لایه‌ای با انرژی معینی وجود ندارند. دموکریت در ۵۰۰سال قبل از میلاد اوّلین تحقیق‌ها را در رابطه با اتم انجام داد. البته تعداد اندکی از آزمایش‌های او مورد قبول واقع گردید اما اصلی‌ترین گام در راستای تحقیق در رابطه با اتم بود. نام اتم به معنای تجزیه ناپذیر را نیز او انتخاب کرد. نظریه‌های او بسیار ابتدایی بود اما باید توجه داشت که تا زمانی که نمی‌توان اتم را به چشم دید صحبت در رابطه با آن نیز تنها حدس است. او بر این عقیده بود که:
نظریهٔ اتمی دالتون: جان دالتون نظریهٔ اتمی خود را با اجرای آزمایش در هفت بند بیان کرد. نظریه‌های دالتون نارسایی‌ها و ایرادهایی دارد اما آغازی مهم بود. مواردی که نظریهٔ دالتون نمی‌توانست توجیه کند:
نظریهٔ دالتون از سه قسمت اصلی (قانون بقای جرم - قانون نسبت‌ها معین - قانون نسبت‌های چندگانه) می‌باشد.
مطالعهٔ اتم‌ها و ذرات ریزتر فقط به صورت غیرمستقیم و از روی رفتار (خواص) امکان‌پذیر است.
اولین ذرهٔ زیراتمی شناخته شده الکترون است. مواردی که به کشف و شناخت الکترون منجر شد:
مدل اتمی تامسون (کیک کشمشی، مدل هندوانه ای)او یکی از محققان موفّق در این راه بود که با وجود اشتباه بودن مدل او باز هم در خیلی مکان‌ها مانند انرژی اتمی از آن استفاده می‌شود.
اطلاعات جدیدی اضافه شد:
همچنین نیلز بور بر این باور بود که الکترون‌ها بر روی مدارهایی به دور هستهٔ اتم پیوسته در حال گردش اند و این نظریه علاوه بر نارسا بودن، اطلاعات
سودمندی در رابطه با ساختار اتم می‌دهد، منظور از نارسا بودن این است که شکل‌های الکترون‌ها به صورت ناقص ترسیم شده می‌باشد در حالی که امروزه می‌دانیم
نظریهٔ کامل تری با نام مد لایه‌ای عرضه شده‌است.
قطعاً مدل اتمی بور با اشکال قابل توجهی روبرو بود و آن هم نبود نوترون یا ماده‌ای بود که دافعهٔ بین پروتون‌ها در مرکز هسته را از بین ببرد. از اینرو چادویک با تأکید بر درستی مدل منظومه شمسی نیلز بور، با توضیح وجود نوترون در هستهٔ اتم، ایراد آن را برطرف کرد. از آن به بعد اصلاحات دیگری بر روی توضیح هستهٔ اتم انجام نشده‌است. البته دانشمندان بزرگی همچون اروین شرودینگر، پس از او نظریات اتمی بسیاری ارائه کرده‌اند، ولی هنوز هم (در رابطه با هستهٔ اتم)، کامل‌ترین نظریه متعلق به جیمز چادویک است.
یک مدل اتمی است که امروزه پذیرفته شده‌است ولی هنوز از مدل اتمی بور برای نمایش اتم استفاده می‌شود. در این مدل مانند مدل بور هسته که عمدهٔ جرم اتم را تشکیل داده در مرکز اتم قرار دارد و الکترون‌ها با انرژی‌های مختلف به دور هسته در حال گردش هستند. با این تفاوت که در این مدل الکترون‌ها به شکل ابری که ابر الکترونی نامیده شده‌است در اطراف هستهٔ اتم و در فضای بسیار بزرگی که قطر آن ۱۰۰۰۰ برابر قطر هستهٔ اتم است در حرکت هستند.
محققان دانشگاه صنعتی چالمرز سوئد برای نخستین بار از صوت برای برقراری ارتباط با یک اتم مصنوعی استفاده کردند. تعامل بین اتم و نور پدیده‌ای شناخته شده‌است و به‌طور وسیعی در دانش کوانتومی به کار می‌رود، با این حال دستیابی به همان میزان تعامل با استفاده از امواج صوتی فرایندی چالش برانگیزتر است. هم‌اکنون، محققان دانشگاه چالمرز موفق به جفت کردن امواج صوتی با یک اتم مصنوعی شده‌اند و این موفقیت با همکاری فیزیک‌دانان نظری و تجربی حاصل شده‌است. وی ادامه داد: یک اتم مصنوعی مثالی از چنین مدار الکتریکی کوانتومی است و درست مانند یک اتم طبیعی می‌توان آن را با انرژی شارژ کرد. این انرژی معمولاً در شکل یک ذره ساطع می‌شود که این ذره، معمولاً یک ذره نور است. با این حال، اتم موجود در آزمایش دانشمندان دانشگاه چالمرز برای ساطع‌کردن و جذب‌کردن انرژی در شکل صوت طراحی شده بود. جزئیات این موفقیت علمی در مجلهٔ ساینس منتشر شد.
به نوشتهٔ مجلهٔ ساینتیفیک امریکن (Scientific American) در سال ۲۰۰۹ ایگور میخائیلفسکی و همکارانش در آزمایشگاه فیزیک و فناوری اوکراین توانستند از یک اتم تصویر تهیه کنند. آن‌ها از یک زنجیرهٔ اتم کربن در گرافیت کمک گرفتند و برای این کار از تکنیکی به نام میکروسکوپی تابش میدان بهره گرفتند.