התורה האטומית
התאוריה האטומית המודרנית > הולדתה

בראשית המאה ה-19 פיתח ג'ון דלטון את התאוריה האטומית שלו, שבה טען כי כל יסוד כימי מורכב מאטומים מסוג אחד ויחיד, אשר אינם ניתנים לשינוי או להשמדה, אך עשויים להתאחד על מנת ליצור מבנים מורכבים יותר - תרכובות. לא ברור כיצד בדיוק הגיע דלטון לתאוריה שלו, אך בכל מקרה, היא אפשרה לו להסביר מגוון של תגליות חדשות בכימיה שנעשו בידיו ובידי עמיתיו.
התגלית הראשונה הייתה חוק שימור החומר, אשר ניסח אנטואן לבואזיה ב-1789, וקובע כי סך המסה בתגובה כימית נשאר קבוע, כלומר למגיבים אותה מסה כוללת כמו לתוצרים. דלטון הסיק מחוק זה כי החומר אינו ניתן להשמדה.
התגלית השנייה הייתה חוק היחסים הקבועים. את החוק ניסח הכימאי הצרפתי ז'וזף לואי פרוסט ב-1799. לפי חוק זה, אם תרכובת מתפרקת למרכיביה היסודיים, אזי המסות של המרכיבים יהיו תמיד באותו יחס, ללא קשר לכמות או למקור של התרכובת המקורית. כך לדוגמה, אם מפרקים מים למרכיביהם, חמצן ומימן, מסת החמצן הנוצר היא תמיד פי שמונה ממסת המימן הנוצר, מכיוון שמולקולת המים מכילה אטום חמצן שמסתו 16 יחידות אטומיות, ושני אטומי מימן שמסתם 1. פרוסט יצר נחושת פחמתית במספר רב של דרכים, ומצא שבכל פעם המרכיבים היו באותה כמות יחסית כפי שהיו כאשר הוא פירק נחושת פחמתית טבעית.
דלטון למד את עבודתו של פרוסט והרחיב אותה באמצעות פיתוח חוק היחסים הכפולים: אם שני יסודות עשויים ליצור יותר מתרכובת אחת, אזי היחסים בין המסות של היסוד השני, כאשר הן משתלבות עם מסה קבועה של היסוד הראשון, יהיו יחסים של מספרים שלמים קטנים. זוג אחד של תגובות אשר חקר דלטון היו צירופים של "אוויר חנקני", אשר ידוע כיום כתחמוצת החנקן (NO), עם חמצן (O2). תחת תנאים מסוימים, גזים אלו הרכיבו תוצר שהיה בלתי ידוע בזמנו, אשר כיום ידוע כי היה חנקן דו-חמצני (NO2) - ביחס צירוף מסוים:
2NO + O2 → 2NO2
אך כאשר חזר על התגובה הכימית תחת תנאים אחרים, כמות כפולה בדיוק של תחמוצת החנקן (יחס של 1:2) הגיבה בשלמות עם החמצן ליצירת תוצר שונה - הידוע כיום כדו חנקן תלת חמצני (N2O3):
4NO + O2 → 2N2O3
דלטון האמין גם כי התורה האטומית תוכל להסביר מדוע המים סופגים גזים שונים ביחסים שונים; לדוגמה, הוא מצא כי מים סופגים פחמן דו-חמצני הרבה יותר טוב משהם סופגים חנקן. דלטון טען כי ההבדל נעוץ בהבדלי המסות והמורכבות של החלקיקים שמרכיבים את הגזים. ואכן, מולקולות פחמן דו-חמצני (CO2) הן כבדות וגדולות יותר ממולקולות חנקן (N2).
ב-1803 הציג דלטון בעל-פה את הרשימה הראשונה שלו של משקלים אטומיים של מספר חומרים. המאמר פורסם ב-1805, אך דלטון לא ציין בו כיצד הגיע לערכים אלו. את השיטה חשף לראשונה ב-1807 ידידו תומאס תומסון, במהדורה השלישית של ספר הלימוד של תומסון, "מערכת הכימיה". בסופו של דבר פרסם דלטון הסבר מלא בספר הלימוד שלו, "שיטה חדשה של פילוסופיה כימית", בשנים 1808 ו-1810.
דלטון העריך את המשקלים האטומיים באמצעות יחסי המסות שבהם הם התרכבו, כאשר המימן היווה את היחידה הבסיסית. למרות זאת, דלטון לא הבין כי ביסודות מסוימים, האטומים קיימים בצורה טבעית כמולקולות - לדוגמה, חמצן טהור קיים בטבע כ-O2. הוא גם האמין, בצורה שגויה, כי התרכובת הפשוטה ביותר של שני יסודות תמיד מכילה אטום אחד מכל סוג (כלומר, מים הם HO ולא H2O). טעויות אלה, נוסף על דיוק מוגבל של הציוד שבו הוא השתמש, גרמו לשגיאות רבות בטבלה. לדוגמה, הוא האמין כי אטומי חמצן היו כבדים פי 5.5 מאטומי מימן, מאחר שבמים הוא מדד 5.5 גרם של חמצן לכל גרם אחד של מימן. אך לאמתו של דבר, אטום חמצן כבד פי 16 מאטום מימן.
את הפגמים בתאוריה של דלטון תיקן אמדאו אבוגדרו ב-1811. אבוגדרו טען כי נפחים שווים של כל שני גזים, בטמפרטורה ולחץ שווים, מכילים מספר שווה של מולקולות - במילים אחרות, המסה של חלקיקי הגז אינה משפיעה על נפחו. טענה זו, הנקראת חוק אבוגדרו, איפשרה לו להסיק את טבעם הדו-אטומי של גזים רבים על ידי מדידת הנפחים שבהם הם יצרו תגובות. לדוגמה, מאחר ששני ליטרים של מימן מגיבים עם ליטר אחד בלבד של חמצן ליצירת שני ליטר של אדי מים (בלחץ וטמפרטורה קבועים), הרי שמולקולת חמצן יחידה מתפרקת לשני חלקים ליצירת שני חלקיקי מים. לכן הצליח אבוגדרו לתת הערכות מדויקות יותר למשקל האטומי של חמצן ויסודות רבים אחרים, ולבסס את ההבחנה בין מולקולות ואטומים.
ב-1827 הבחין הבוטנאי רוברט בראון כי חלקיקי אבקה אשר צפו במים התנועעו בקביעות ללא סיבה נראית לעין. ב-1905 שיער אלברט איינשטיין כי התנועה הבראונית הזו נגרמת על ידי מולקולות מים אשר פוגעות ללא הרף בחלקיקי האבקה, ופיתח מודל מתמטי משוער שתיאר אותה. המודל אושר בניסוי ב-1908 על ידי הפיזיקאי הצרפתי ז'אן-בטיסט פרן, וסיפק אישור נוסף לתאוריה החלקיקית (ומכאן, לתאוריה האטומית).