Teori atom
Sebuah tabung Crookes adalah wadah kaca tertutup dimana dua elektrode dipisahkan oleh ruang hampa. Sinar katoda dihasilkan ketika tegangan diterapkan di seluruh elektroda, menciptakan partikel bersinar yang menyerang kaca di ujung tabung yang berlawanan. Melalui eksperimen, Thomson menemukan bahwa sinar dapat dibelokkan oleh medan listrik (selain medan magnet, yang sudah
dikenal). Dia menyimpulkan bahwa sinar ini, bukannya bentuk cahaya, melainkan sesuatu yang terdiri dari partikel bermuatan negatif yang sangat ringan yang ia sebut "corpuscles" (kelak diganti namanya menjadi elektron oleh ilmuwan lain). Ia mengukur rasio massa terhadap muatan dan menemukan itu 1800 kali lebih kecil daripada hidrogen, atom terkecil. Corpuscles ini tidak seperti partikel lain yang telah dikenal sebelumnya.
Thomson menyatakan bahwa atom dapat dibagi, dan bahwa corpuscles adalah balok-balok bangunannya. Untuk menjelaskan muatan netral keseluruhan atom, ia mengajukan teori bahwa corpuscles didistribusikan dalam lautan muatan positif yang seragam; ini adalah model puding prem karena elektron tertanam dalam muatan positif seperti prem dalam puding prem (meskipun dalam model Thomson mereka tidak dalam kondisi stasioner).
Pada tahun 1909, model puding prem Thomson dibantah oleh salah seorang mantan mahasiswanya, Ernest Rutherford, yang menemukan bahwa sebagian besar massa dan muatan positif atom terkonsentrasi di sebagian kecil dari volume, yang diasumsikan berada di pusat atom.
Dalam percobaan Geiger-Marsden, Hans Geiger dan Ernest Marsden (rekan dari Rutherford yang bekerja mewakilinya) menembakkan partikel alfa pada lembaran tipis logam dan diukur defleksi mereka menggunakan layar fluoresen. Mengingat massa elektron yang sangat kecil, momentum tinggi partikel alfa, dan rendahnya konsentrasi muatan positif pada model puding prem, sang peneliti mengharapkan semua partikel alfa dapat melewati kertas logam tanpa
pembelokan yang bermakna. Ternyata mereka menemukan hal yang mencengangkan. Sebagian kecil dari partikel alfa mengalami pembelokan tajam. Rutherford menyimpulkan bahwa muatan positif di dalam atom harus terkonsentrasi dalam volume yang sangat kecil agar dapat menghasilkan medan listrik yang cukup kuat untuk membelokkan partikel alfa dengan sebegitu kuat.
Hal ini menyebabkan Rutherford mengajukan teori model planet dimana awan elektron mengelilingi inti kecil dan kompak yang bermuatan positif. Hanya konsentrasi muatan semacam itulah yang bisa menghasilkan medan listrik cukup kuat untuk menyebabkan pembelokan tajam.
Model atom planet memiliki dua kekurangan yang signifikan. Pertama adalah bahwa, tidak seperti planet mengorbit matahari, elektron adalah partikel bermuatan. Muatan listrik yang dipercepat diketahui memancarkan gelombang elektromagnetik menurut rumus Larmor dalam elektromagnetisme klasik. Muatan yang mengorbit, logikanya akan terus kehilangan energi dan bergerak spiral menuju inti, bertabrakan dengan
inti dalam hitungan detik. Masalah kedua adalah bahwa model planet tidak bisa menjelaskan emisi puncak dan penyerapan spektrum atom yang diamati.
Teori kuantum merevolusi fisika di awal abad ke-20, ketika Max Planck dan Albert Einstein mendalilkan bahwa energi cahaya dipancarkan atau diserap dalam jumlah diskret yang diketahui sebagai kuanta (tunggal, kuantum). Pada tahun 1913, Niels Bohr memasukkan ide ini ke dalam model atom Bohr, dimana sebuah elektron hanya bisa mengorbit inti dalam orbit lingkaran tertentu dengan momentum sudut dan
energi tetap, jarak dari inti (yaitu, jari-jari atom) sebanding dengan energinya. Dengan model ini elektron tidak bisa bergerak spiral ke dalam inti karena tidak kehilangan energi secara terus menerus; sebaliknya, hal itu hanya bisa membuat "lompatan kuantum" seketika antar tingkat energi yang ditetapkan. Ketika ini terjadi, cahaya dipancarkan atau diserap
pada frekuensi yang sebanding dengan perubahan energi (maka penyerapan dan emisi cahaya merupakan spektrum diskrit).
Model Bohr tidak sempurna. Ini hanya bisa memprediksi garis spektrum hidrogen; dan tidak bisa memprediksi atom multielektron. Lebih buruk lagi, tatkala teknologi spektrografik ditingkatkan, teramati garis spektrum tambahan dalam hidrogen, yang tidak dapat dijelaskan menggunakan model Bohr. Pada tahun 1916, Arnold Sommerfeld menambahkan orbit elips dengan model Bohr untuk menjelaskan garis emisi tambahan
tersebut, tetapi ini membuat model menjadi sangat sulit untuk digunakan, dan masih tidak dapat menjelaskan atom yang lebih kompleks.
Saat bereksperimen dengan produk peluruhan radioaktif, pada tahun 1913 radiokimiawan Frederick Soddy menemukan bahwa tampaknya ada lebih dari satu unsur pada setiap posisi dalam tabel periodik. Istilah isotop kemudian diciptakan oleh Margaret Todd sebagai nama yang cocok untuk unsur ini.
Pada tahun yang sama, J.J. Thomson melakukan percobaan dimana ia menyalurkan aliran ion neon melalui medan magnet dan listrik, kemudian menghantam piring fotografi di ujung lain. Dia mengamati dua partikel bercahaya di piring, yang menunjukkan dua lintasan defleksi yang berbeda. Thomson menyimpulkan ini karena beberapa ion neon memiliki massa yang berbeda. Sifat massa yang berbeda ini kelak dijelaskan oleh penemuan neutron pada tahun 1932.
Pada tahun 1917 Rutherford membombardir gas nitrogen dengan partikel alfa dan mengamati inti hidrogen yang dipancarkan dari gas (Rutherford menyadari hal ini, karena ia sebelumnya telah memperolehnya melalui bombardir hidrogen dengan partikel alfa, dan mengamati inti hidrogen di dalam produk). Rutherford menyimpulkan bahwa inti hidrogen muncul dari inti atom nitrogen sendiri (artinya, ia telah memecah nitrogen).
Dari karyanya sendiri dan karya murid-muridnya Bohr dan Henry Moseley, Rutherford mengetahui bahwa muatan positif dari setiap atom selalu bisa disamakan dengan jumlah inti hidrogen. Ini, digabung dengan massa atom dari banyak unsur yang kira-kira setara dengan jumlah dari atom hidrogen- yang kemudian diasumsikan partikel paling ringan- membuatnya menyimpulkan bahwa inti hidrogen adalah
partikel tunggal dan konstituen dasar dari semua inti atom. Dia menamakan partikel tersebut sebagai proton. Eksperimen lanjutan yang dilakukan oleh Rutherford menemukan bahwa massa nuklir kebanyakan atom melebihi jumlah proton yang dimilikinya; ia berspekulasi bahwa kelebihan massa ini terdiri dari partikel bermuatan netral yang hingga saat itu belum diketahui. Julukan sementara untuk partikel ini pada saat itu adalah "neutron".
Pada tahun 1928, Walter Bothe mengamati bahwa berilium memancarkan radiasi elektrik netral berdaya tembus besar ketika dibombardir dengan partikel alfa. Terungkap pula di kemudian hari bahwa radiasi ini dapat mengusir atom hidrogen dari paraffin wax. Awalnya itu disangka sebagai radiasi gamma berenergi tinggi, karena radiasi gamma memberi efek serupa pada elektron di dalam logam.
Akan tetapi, James Chadwick menemukan bahwa dampak ionisasi yang ditimbulkan terlalu kuat untuk suatu radiasi elektromagnetik, sepanjang energi dan momentumnya konstan dalam interaksi tersebut. Pada tahun 1932, Chadwick memapar berbagai unsur, seperti hidrogen dan nitrogen, dengan "radiasi berilium". Berdasarkan pengukuran energi partikel bermuatan, ia menyimpulkan bahwa radiasi
sejatinya terbentuk dari parikel netral yang bermassa mirip dengan proton (sementara sinar gamma adalah partikel nirmassa bermuatan netral). Chadwick menegaskan partikel ini sebagai neutron Rutherford. Pada tahun 1935 Chadwick menerima Anugerah Nobel atas karyanya mengungkap keberadaan neutron.
Pada tahun 1924, Louis de Broglie mengajukan teori bahwa semua partikel bergerak-terutama partikel subatomik seperti elektron-menunjukkan perilaku mirip gelombang. Erwin Schrödinger, yang terkesan dengan ide ini, menggali lebih jauh kebenaran bahwa gerak elektron dalam atom dapat dijelaskan lebih baik sebagai gelombang daripada sebagai partikel. Persamaan Schrödinger, dipublikasikan tahun