miniatura|201x201px|El modelo teórico actual del átomo implica un núcleo denso rodeado por una «nube» probabilista de electrones. En química y física, la teoría atómica es una teoría científica sobre la naturaleza de la materia que sostiene que está compuesta de unidades discretas llamadas átomos. Empezó como concepto filosófico en la Antigua Grecia y logró amplia aceptación científica a principios del cuando los descubrimientos en el campo de la química demostraron que la materia realmente se comportaba como si estuviese hecha de átomos.
La palabra átomo proviene del adjetivo en griego antiguo átomos, que significa «indivisible». Los químicos del empezaron a utilizar el término en relación con el número creciente de elementos químicos irreducibles.Berryman, Sylvia: «Ancient Atomism.» The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Fall 2008 Edition), Edward, N. Cerca del cambio al siguiente siglo, a través de varios experimentos con electromagnetismo y radiactividad, los físicos descubrieron que los «átomos indivisibles» eran de hecho un conglomerado de varias partículas subatómicas (principalmente, electrones, protones y neutrones), las cuales pueden existir separadas unas de otras. De hecho, en ciertos entornos extremos, como las estrellas de neutrones, la presión y la temperatura extremas impiden que los átomos puedan existir en absoluto.
Ya que se descubrió que los átomos podían dividirse, los físicos inventaron el término «partículas elementales» para describir las partes «indivisibles», aunque no indestructibles, de un átomo. El campo de ciencia que estudia las partículas subatómicas es la física de partículas y es en este campo donde los físicos esperan descubrir la auténtica naturaleza fundamental de la materia.
Atomismo filosófico
La idea de que la materia está hecha de unidades discretas es una muy antigua y surge en muchas culturas antiguas como Grecia (Demócrito, Leucipo de Mileto), Roma (Lucrecio) e India (los jainistas, los Ajivika y los Cārvāka; también las escuelas Nyaya y Vaisheshika). No obstante, estas ideas estuvieron fundadas en el razonamiento filosófico y teológico más que en la evidencia y la experimentación. Debido a ello, no podían convencer a todos y el atomismo era una entre varias teorías rivales sobre la naturaleza de materia. No fue hasta el cuando los científicos abrazaron y refinaron la idea, ya que la floreciente ciencia de la química produjeron descubrimientos que podían explicarse fácilmente utilizando el concepto del átomo. También, resalta la influencia del científico serbio Ruđer Bošković (1711-1787), primero en bosquejar una teoría atómica moderna de fundamento newtoniano que establece fuerzas de cohesión y de repulsión.
Dalton
Cerca del fin del dos leyes sobre reacciones químicas emergieron sin referirse a la idea de una teoría atómica. La primera era la Ley de conservación de la masa, formulada por Antoine Lavoisier en 1789, la cual declara que la masa total permanece constante tras una reacción química (es decir, los reactantes tienen la misma masa que los productos). La segunda era la Ley de las proporciones constantes. Probada originalmente por el farmacéutico francés Joseph Louis Proust en 1799, esta ley declara que si se descompone un compuesto en sus elementos constituyentes, entonces las masas de los elementos siempre tendrán las mismas proporciones, sin importar la cantidad o fuente de la sustancia original.Proust, Joseph Louis.
John Dalton estudió y expandió este trabajo previo y desarrolló la ley de las proporciones múltiples: si dos elementos pueden combinarse para formar una cantidad de compuestos posibles, entonces las proporciones de las masas del segundo elemento que se combinan con una masa fija del primer elemento serán proporciones de números enteros pequeños. Por ejemplo: Proust había estudiado óxidos de estaño y descubrió que sus masas eran 88.1% estaño y 11.9% oxígeno o 78.7% estaño y 21.3% oxígeno (estos eran óxido de estaño (II) y dióxido de estaño respectivamente). Dalton notó en estos porcentajes que 100g de estaño se combinará con 13,5g o 27g de oxígeno; 13,5 y 27 forman una proporción de 1:2. Dalton descubrió que una teoría atómica de la materia podría explicar elegantemente este patrón común en la química. En el caso de los óxidos de estaño de Proust, un átomo de estaño se combinará con uno o dos átomos de oxígeno.
Dalton también creía que la teoría atómica podía explicar por qué el agua absorbe gases diferentes en proporciones diferentes. Por ejemplo, descubrió que el agua absorbe dióxido de carbono mucho mejor que el nitrógeno.Dalton, John. Dalton hipotetizó que este se debió a las diferencias en masa y complejidad de las partículas de los gases respectivos. Ciertamente, las moléculas de dióxido de carbono (CO2) son más pesadas y grandes que las moléculas de nitrógeno (N2).
Propuso que cada elemento químico está compuesto de átomos de un solo tipo solo y aunque estos no pueden ser alterados o destruidos por medios químicos, pueden combinarse para formar estructuras más complejas (compuestos químicos). Esto marca la primera teoría verdaderamente científica del átomo, ya que Dalton logró sus conclusiones por experimentación y examen de los resultados de forma empírica. miniatura|Representación de varios átomos y moléculas en Un Nuevo Sistema de Filosofía Química (1808) de John Dalton. En 1803 presentó su primera lista de pesos atómicos relativos para un número de sustancias. Este artículo se publicó en 1805, pero en él Dalton no analizó exactamente cómo obtuvo esas cifras.Dalton, John. El método fue revelado en 1807 por su conocido Thomas Thomson, en la tercera edición del libro de Thomson, Un Sistema de Química. Finalmente, Dalton publicó una explicación completa en su propio texto, Un Nuevo Sistema de Filosofía Química (1808 y 1810).
Dalton estimó los pesos atómicos según las proporciones de masa en que se combinan, tomando al átomo de hidrógeno como unidad. Sin embargo, Dalton no concibió que algunos elementos existan en estado molecular: por ejemplo el oxígeno puro existe como O2. También creyó erróneamente que el compuesto más sencillo entre dos elementos cualesquiera es siempre un átomo de cada uno (así que pensó que el agua era HO, no H2O). Esto, sumado a la crudeza de su equipamiento, malogró sus resultados. Por ejemplo, en 1803 creía que los átomos de oxígeno eran 5,5 veces más pesados que los átomos de hidrógeno, porque en el agua midió 5,5 gramos de oxígeno por cada gramo de hidrógeno y creía que la fórmula para el agua era HO. Con datos mejores, en 1806 concluyó que el peso atómico del oxígeno de hecho debía ser 7 en vez de 5,5, y mantuvo este peso por el resto de su vida. Otros en estos tiempos ya habían concluido que el átomo de oxígeno tiene que pesar 8 átomos de hidrógeno si uno supone la fórmula de Dalton para la molécula de agua (HO), o 16 si uno supone la fórmula moderna (H2O).
Avogadro
El defecto en la teoría de Dalton fue corregido en principio en 1811 por Amedeo Avogadro. Avogadro había propuesto que volúmenes iguales de dos gases cualesquiera, en presión y temperatura iguales, contienen números iguales de moléculas (en otras palabras, la masa de las partículas de un gas no afecta el volumen que ocupa). La ley de Avogadro le permitió deducir la naturaleza diatómica de numerosos gases al estudiar los volúmenes en los que reaccionan. Por ejemplo: ya que dos litros de hidrógeno reaccionarán con un único litro de oxígeno para producir dos litros de vapor de agua (en temperatura y presión constantes), significa que una sola molécula de oxígeno se divide en dos para formar dos partículas de agua. De este modo Avogadro fue capaz de ofrecer estimaciones más precisas de la masa atómica del oxígeno y varios otros elementos e hizo una distinción clara entre moléculas y átomos.
Movimiento browniano
En 1827, el botánico británico Robert Brown observó que las partículas de polvo dentro de los granos de polen que flotan en el agua constantemente vibran sin razón aparente. En 1905, Albert Einstein teorizó que este movimiento browniano era causado por el continuo golpeteo de las moléculas de agua y desarrolló un modelo matemático para describirlo. En 1908 el físico francés Jean Perrin la validó experimentalmente, lo que proveyó de validación adicional a la teoría particular (y por extensión a la teoría atómica).
Descubrimiento de las partículas subatómicas
derecha|200px|miniatura|El tubo de rayos catódicos de Thomson, en el que observó la desviación de los rayos catódicos por un campo eléctrico. Hasta 1897, se creía que los átomos eran la división más pequeña de la materia, cuando J. J. Thomson descubrió el electrón mediante su experimento con el tubo de rayos catódicos.Thomson, J. J. (1897): Cathode rays, Philosophical Magazine. El tubo de rayos catódicos que usó Thomson era un recipiente cerrado de vidrio, en el cual los dos electrodos estaban separados por un vacío. Cuando se aplica una diferencia de tensión a los electrodos, se generan rayos catódicos, que crean un resplandor fosforescente cuando chocan con el extremo opuesto del tubo de cristal. Mediante la experimentación, Thomson descubrió que los rayos se desviaban al aplicar un campo eléctrico (además de desviarse con los campos magnéticos, cosa que ya se sabía). Afirmó que estos rayos, más que ondas, estaban compuestos por partículas cargadas negativamente a las que llamó «corpúsculos» (más tarde, otros científicos las rebautizarían como electrones).
Thomson creía que los corpúsculos surgían de los átomos del electrodo. De esta forma, estipuló que los átomos eran divisibles, y que los corpúsculos eran sus componentes. Para explicar la carga neutra del átomo, propuso que los corpúsculos se distribuían en estructuras anilladas dentro de una nube positiva uniforme; este era el modelo atómico de Thomson o «modelo del plum cake». Thomson, J. J. (marzo de 1904): «On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure.» Philosophical Magazine Serie 6, Vol 7, Nº 39.
Ya que se vio que los átomos eran realmente divisibles, los físicos inventaron más tarde el término «partículas elementales» para designar a las partículas indivisibles.
Descubrimiento del núcleo
derecha|200px|miniatura|Experimento de la lámina de oro Arriba: Resultados esperados: las partículas alfa pasan sin problemas por el modelo atómico de Thomson. Abajo: Resultados observados: una pequeña parte de las partículas se desvía, lo que revela la existencia de un lugar en el átomo donde se concentra la carga positiva. El modelo atómico de Thomson fue refutado en 1909 por uno de sus estudiantes, Ernest Rutherford, quien descubrió que la mayor parte de la masa y de la carga positiva de un átomo estaba concentrada en una fracción muy pequeña de su volumen, que suponía que estaba en el mismo centro.