Η ατομική θεωρία είναι μια επιστημονική περιγραφή της φύσης του άτομα και ύλη που συνδυάζει στοιχεία της φυσικής, της χημείας και των μαθηματικών. Σύμφωνα με τη σύγχρονη θεωρία, η ύλη αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια που ονομάζονται άτομα, τα οποία με τη σειρά τους αποτελούνται από υποατομικά σωματίδια. Άτομα ενός δεδομένου στοιχείο είναι πανομοιότυπα από πολλές απόψεις και διαφορετικά από τα άτομα άλλων στοιχείων. Τα άτομα συνδυάζονται σταθερά αναλογίες με άλλα άτομα να σχηματίσουν μόρια και ενώσεις.
Η θεωρία εξελίχθηκε με την πάροδο του χρόνου, από τη φιλοσοφία του ατομισμού μέχρι τη σύγχρονη κβαντική μηχανική. Ακολουθεί ένα σύντομο ιστορικό ατομικής θεωρίας:
Η ατομική θεωρία δημιουργήθηκε ως φιλοσοφική αντίληψη στην αρχαία Ινδία και την Ελλάδα. Η λέξη "άτομο" προέρχεται από την αρχαία ελληνική λέξη atomos, πράγμα που σημαίνει αδιαίρετο. Σύμφωνα με τον ατομισμό, η ύλη αποτελείται από διακριτά σωματίδια. Ωστόσο, η θεωρία ήταν μια από τις πολλές εξηγήσεις για την ύλη και δεν βασίστηκε σε εμπειρικά δεδομένα. Τον πέμπτο αιώνα π.Χ., ο Δημόκριτος πρότεινε ότι η ύλη αποτελείται από άφθαρτες, αδιαίρετες μονάδες που ονομάζονται άτομα. Ο ρωμαϊκός ποιητής Lucretius κατέγραψε την ιδέα, έτσι επέζησε από τους Σκοτεινούς χρόνους για αργότερα.
Χρειάστηκε μέχρι τα τέλη του 18ου αιώνα η επιστήμη να δώσει συγκεκριμένες αποδείξεις για την ύπαρξη ατόμων. Το 1789, ο Antoine Lavoisier διατύπωσε το νόμο της διατήρησης της μάζας, το οποίο δηλώνει ότι η μάζα των προϊόντων μιας αντίδρασης είναι ίδια με τη μάζα των αντιδραστηρίων. Δέκα χρόνια αργότερα, ο Joseph Louis Proust πρότεινε το νόμο καθορισμένων αναλογιών, το οποίο δηλώνει ότι οι μάζες στοιχείων σε μια ένωση συμβαίνουν πάντα στην ίδια αναλογία.
Αυτές οι θεωρίες δεν ανέφεραν άτομα, όμως John Dalton που βασίζεται σε αυτά για να αναπτύξει το νόμο πολλαπλών αναλογιών, το οποίο δηλώνει ότι οι αναλογίες των μαζών στοιχείων σε μια ένωση είναι μικρές ολόκληρες αριθμοί. Ο νόμος πολλαπλών αναλογιών του Dalton αντλείται από τα πειραματικά δεδομένα. Πρότεινε ότι κάθε χημικό στοιχείο αποτελείται από ένα μόνο τύπο ατόμου που δεν θα μπορούσε να καταστραφεί με οποιοδήποτε χημικό μέσο. Η προφορική του παρουσίαση (1803) και η δημοσίευση (1805) σηματοδότησαν την αρχή της επιστημονικής ατομικής θεωρίας.
Το 1811, ο Amedeo Avogadro διόρθωσε ένα πρόβλημα με τη θεωρία του Dalton όταν πρότεινε ότι ίσοι όγκοι αερίων με την ίδια θερμοκρασία και πίεση να περιέχουν τον ίδιο αριθμό σωματιδίων. Ο νόμος του Avogadro κατέστησε δυνατή την ακριβή εκτίμηση των ατομικών μαζών στοιχείων και έκανε σαφή διάκριση μεταξύ ατόμων και μορίων.
Μια άλλη σημαντική συμβολή στην ατομική θεωρία έγινε το 1827 από τον βοτανολόγο Robert Brown, ο οποίος παρατήρησε ότι τα σωματίδια σκόνης που επιπλέουν στο νερό φαινόταν να κινούνται τυχαία χωρίς γνωστό λόγο. Το 1905, ο Albert Einstein ισχυρίστηκε ότι η κίνηση Brownian οφείλεται στην κίνηση μορίων νερού. Το μοντέλο και η επικύρωσή του το 1908 από τον Jean Perrin υποστήριξαν την ατομική θεωρία και τη σωματιδιακή θεωρία.
Μέχρι τώρα, τα άτομα πιστεύονταν ότι είναι οι μικρότερες μονάδες της ύλης. Το 1897, J.J. Η Thomson ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο. Πίστευε ότι τα άτομα θα μπορούσαν να χωριστούν. Επειδή το ηλεκτρόνιο φέρει ένα αρνητικό φορτίο, πρότεινε ένα μοντέλο πουτίγκας δαμάσκηνου του ατόμου, στο οποίο τα ηλεκτρόνια ενσωματώθηκαν σε μια μάζα θετικού φορτίου για να δώσουν ένα ηλεκτρικά ουδέτερο άτομο.
Ο Ernest Rutherford, ένας από τους σπουδαστές της Thomson, απέρριψε το μοντέλο της δαμάσκηνης δαμάσκηνου το 1909. Ο Ράδερφορντ βρήκε ότι το θετικό φορτίο ενός ατόμου και το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του ήταν στο κέντρο ή στον πυρήνα ενός ατόμου. Περιέγραψε ένα πλανητικό μοντέλο στο οποίο τα ηλεκτρόνια περιστρέφονταν γύρω από ένα μικρό, θετικά φορτισμένο πυρήνα.
Ο Rutherford ήταν στο σωστό δρόμο, αλλά το μοντέλο του δεν μπορούσε να εξηγήσει τα φάσματα εκπομπής και απορρόφησης των ατόμων, ούτε γιατί τα ηλεκτρόνια δεν συνέτριψαν στον πυρήνα. Το 1913, ο Niels Bohr πρότεινε το μοντέλο Bohr, το οποίο δηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε συγκεκριμένες αποστάσεις από τον πυρήνα. Σύμφωνα με το μοντέλο του, τα ηλεκτρόνια δεν θα μπορούσαν να σπειροειδώς στον πυρήνα, αλλά θα μπορούσαν να κάνουν κβαντικά άλματα μεταξύ των επιπέδων ενέργειας.
Το μοντέλο του Bohr εξήγησε τις φασματικές γραμμές του υδρογόνου αλλά δεν επεκτάθηκε στη συμπεριφορά των ατόμων με πολλαπλά ηλεκτρόνια. Αρκετές ανακαλύψεις επέκτειναν την κατανόηση των ατόμων. Το 1913, ο Frederick Soddy περιέγραψε ισότοπα, τα οποία ήταν μορφές ενός ατόμου ενός στοιχείου που περιείχε διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων. Τα νετρόνια ανακαλύφθηκαν το 1932.
Ο Louis de Broglie πρότεινε μια ευκίνητη συμπεριφορά των κινούμενων σωματιδίων, την οποία περιέγραψε ο Erwin Schrödinger χρησιμοποιώντας την εξίσωση του Schrödinger (1926). Αυτό, με τη σειρά του, οδήγησε στην αρχή της αβεβαιότητας του Werner Heisenberg (1927), που δηλώνει ότι δεν είναι δυνατόν να γνωρίζουμε ταυτόχρονα τόσο τη θέση όσο και την ορμή ενός ηλεκτρονίου.
Η κβαντική μηχανική οδήγησε σε μια ατομική θεωρία στην οποία τα άτομα αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια. Το ηλεκτρόνιο μπορεί ενδεχομένως να βρεθεί οπουδήποτε στο άτομο, αλλά βρίσκεται με τη μεγαλύτερη πιθανότητα σε ένα ατομικό τροχιακό ή ενεργειακό επίπεδο. Αντί των κυκλικών τροχιών του μοντέλου του Ράδερφορντ, η σύγχρονη ατομική θεωρία περιγράφει τα τροχιακά που μπορεί να είναι σφαιρικά, αλτήρες, κλπ. Για άτομα με υψηλό αριθμό ηλεκτρονίων, αναδύονται σχετικιστικά αποτελέσματα, καθώς τα σωματίδια κινούνται με ένα κλάσμα της ταχύτητας του φωτός.
Οι σύγχρονοι επιστήμονες έχουν βρει μικρότερα σωματίδια που συνθέτουν τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια, αν και το άτομο παραμένει η μικρότερη μονάδα της ύλης που δεν μπορεί να διαιρεθεί με χημικά μέσα.