Понятие атома восходит к античной натурфилософии. Демокрит и Эпикур рассматривали атомы как мельчайшие, неделимые частицы вещества, обладающие формой, величиной и движением. Однако эти идеи носили умозрительный характер и не имели экспериментального подтверждения. В XVII–XVIII веках развитие естествознания подготовило почву для строгого научного рассмотрения атомной гипотезы.
В начале XIX века Джон Дальтон создал атомистическую теорию, которая легла в основу классической химии. Согласно его представлениям, все вещества состоят из мельчайших неделимых атомов; атомы одного и того же элемента одинаковы по массе и свойствам, а атомы разных элементов различаются между собой. Соединяясь в определённых числовых соотношениях, атомы образуют химические соединения. Эта теория позволила объяснить законы сохранения массы, постоянства состава и кратных отношений.
Однако в дальнейшем стало ясно, что атом — не элементарная, а сложная система. Развитие физики XIX века открыло путь к изучению внутреннего устройства атома.
В 1897 году Джозеф Томсон, исследуя катодные лучи, установил существование отрицательно заряженных частиц — электронов. Это стало первым доказательством сложного строения атома. Томсон предложил модель атома, в которой электроны распределены внутри положительно заряженной сферы, напоминающей «пудинг с изюмом».
Эта модель объясняла ряд явлений, но оказалась неспособной интерпретировать результаты опытов по рассеянию α-частиц, проведённых в 1909 году Эрнестом Резерфордом и его учениками Гейгером и Марсденом.
Эксперимент по рассеянию α-частиц на тонкой золотой фольге показал, что большинство частиц проходит сквозь фольгу без отклонений, но некоторые отклоняются на большие углы. Это можно было объяснить лишь существованием в атоме плотного положительно заряженного ядра, занимающего ничтожный объём по сравнению с общим размером атома.
На основании этих данных Резерфорд предложил планетарную модель атома: электроны движутся вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Несмотря на успехи, эта модель имела существенный недостаток: с точки зрения классической электродинамики, движущийся по орбите электрон должен терять энергию и падать на ядро, что делало атом нестабильным.
В 1913 году Нильс Бор предложил квантовую модель атома, опираясь на идеи квантования энергии Макса Планка. Согласно этой модели:
Модель Бора успешно объясняла спектральные линии водорода и стала важным шагом в развитии квантовой физики. Однако для многоэлектронных атомов она оказалась непригодной.
В 1920-е годы развитие квантовой механики позволило создать более полное описание строения атома. Луи де Бройль предположил волновую природу электронов, а Эрвин Шрёдингер разработал волновое уравнение, описывающее состояние электрона в атоме. Появилось понятие орбиталей — областей пространства с наибольшей вероятностью нахождения электрона.
Основные принципы современного понимания строения атома:
Дальнейшие исследования показали, что ядро само имеет сложное строение. В нём содержатся протоны и нейтроны, объединённые в нуклоны. Их удерживает сильное ядерное взаимодействие, значительно превосходящее по силе электростатическое отталкивание протонов. В середине XX века было установлено существование ещё более фундаментальных частиц — кварков, из которых состоят нуклоны.
Постепенное усложнение моделей атома отражает развитие науки: от простых механистических представлений к квантово-механической картине. Эти открытия стали основой для объяснения химических свойств элементов, закономерностей периодической системы Менделеева, природы химической связи, а также дали фундамент для дальнейшего развития ядерной физики и квантовой химии.