התורה האטומית – הבדלי גרסאות

ב[[כימיה]] ווב[[פיזיקה]], '''התורה האטומית''' היא [[תאוריה]] העוסקת בטיבו של ה[[חומר]], וקובעת כי החומר עשוי מיחידות נפרדות "סופיות" הקרויות [[אטום|אטומים]], בניגוד לדעה הקודמתעתיקה לפיהיותר, שלפיה ניתן לחלק את החומר ליחידות קטנותהולכות כרצוננווקטנות, עד אינסוף. היאהתורה האטומית החלה כרעיון [[פילוסופיה|פילוסופי]] ב[[יוון העתיקה]] ווב[[הודו]], ונכנסה לזרם המרכזי במדע בראשית [[המאה ה-19]], כאשר תגליות בתחום הכימיה הראו כי החומר אכן מתנהג כעשוי מחלקיקים.

השם "אטום" (מהמילה היוונית "אטומוס", "בלתי ניתן לחלוקה") ניתן לחלקיק הבסיסי שמרכיב את היסודותה[[יסוד הכימיםכימי|יסודות]], מאחר שהכימאים האמינו באותה תקופה כי לא ניתן לחלקו יותר. ובכל זאת, בתחילת [[המאה ה-20]], באמצעות ניסויים שונים בתחום ה[[אלקטרומגנטיות]] וה[[רדיואקטיביות]], גילו [[פיזיקאי]]ם גילו כי "האטום הבלתי ניתן לחלוקה" הוא למעשה גוש של [[חלקיק תת-אטומי|חלקיקים תת-אטומים]] ([[אלקטרון|אלקטרונים]], [[פרוטון|פרוטונים]] ו[[נייטרון|נייטרונים]]) אשר עשויים להתקיים גם בנפרד. זאת ועוד, בתנאים קיצוניים כגון בתוך [[כוכב נייטרונים]], [[טמפרטורה|טמפרטורות]] גבוהות במיוחד ולחץו[[לחץ]] קיצוני מונעים מהאטומים להתקיים מלכתחילה, ורקוקיימים רק החלקיקים התת-אטומים לבדם קיימיםאטומיים. התחום במדע אשר חוקר את החלקיקים התת-אטומים הוא [[פיזיקת החלקיקים]], והפיזיקאים העוסקים בו מקווים לגלות את טיבו היסודי האמיתי של החומר.

הרעיון לפיושלפיו החומר מורכב מיחידות בדידות ולא ניתן לחלקו ליחידות קטנות יותר היה קיים במשך אלפי שנים, אך רעיונות אלה התבססו על טיעונים פילוסופיםפילוסופיים אבסטרקטיםמופשטים ולא על [[ניסוי|ניסויים מדעיים]]. טיבם של האטומים בפילוסופיה היה שונה בצורה ניכרת בתקופות שונות ואצל תרבויות ואסכולות שונות, ולעתים נכללו בו אף אלמנטים רוחניים. הרעיון הבסיסי של האטום אומץ ע"יעל ידי מדענים אלפי שנים מאוחר יותר, מאחר שהסביר באופן אלגנטי תגליות חדשות בתחום הכימיה.

חלק מהתיאוריותמהתאוריות המוקדמות ביותר הידועות פותחו ב[[היסטוריה של הודו|הודו העתיקה]] במאה ה-6 לפני הספירה ע"יעל ידי [[קאנדה (פילוסוף)|קאנדה]], פילוסוף [[הינדואיזם|הינדי]].<ref name="lost">{{cite book | title = Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science | author = Teresi, Dick | publisher = Simon & Schuster | date = 2003 | isbn = 074324379X | url = http://books.google.com/books?id=pheL_ubbXD0C&dq | pages = 213–214}}</ref> בפילוסופיה ההינדית, אסכולות ה[[ניאיה]] וה[[וייששיקה]] פיתחו תיאוריותתאוריות נרחבות שעסקו בדרכים בהן אטומיםשבהן התגבשו ליצירתאטומים לכדי עצמים מורכבים יותר (ראשית בזוגות, ואז בשלשות של זוגות),<ref name="lost">{{cite book | title = Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science | author = Teresi, Dick | publisher = Simon & Schuster | date = 2003 | isbn = 074324379X | url = http://books.google.com/books?id=pheL_ubbXD0C&dq | pages = 213–214}}</ref> אך האמינו כי האינטראקציות נקבעו בסופו של דבר על ידי רצונו של האל ([[אישורה]] ההינדי), ושהאטומים עצמם היו בלתי פעילים, ללא תכונות פיזיקליות משל עצמם. מנגד, הפילוסופיה של ה[[ג'ייניזם]] קישרה בין התנהגות החומר לטבעם של האטומים עצמם. בפילוסופיה זו, לכל אטום היה סוג אחד של טעם, ריח וצבע ושני סוגים של מגע, אם כי לא ברור כיום למה הייתה הכוונה ב"סוג של מגע". אטומים עשויים להתקיים באחד משני מצבים: קטן, בו הם יכולים להיכנס לחללים קטנים ככל הנדרש, וגדול, בו הם מוארכים ותופסים נפח סופי בחלל. אמנם אטומים עשויים מאותו חומר יסודי, אך הם עשויים להשתלב בהתאם לתכונותיהם הבסיסיות וליצור שישה סוגים של "גושים", אשר נראה כי הם תואמים את המושג היווני של "יסודות": אדמה, מים, צל, "עצמי חושים", "חומר קארמי" ו"חומר שאינו כשר".<ref name="Gangopadhyaya">Gangopadhyaya, Mrinalkanti. ''Indian Atomism: History and Sources''. Atlantic Highlands, New Jersey: Humanities Press, 1981. ISBN 0-391-02177-X</ref>

במאה ה-5 לפני הספירה, פיתח [[דמוקריטוס]] פיתח את מושג האטומים על מנת לפשר בין שתי אסכולות שונות שעסקו בטיבה של המציאות. מצד אחד היה [[הרקליטוס]], אשר האמין כי השינוי הוא טבעו של הקיום. מצד שני היה [[פרמנידס]], אשר האמין כי השינוי הוא רק אשליה.

פרמנידס שלל את קיומם של תנועה, שינוי וריק. הוא האמין כי המציאות כולה היא מסה יחידה ובלתי משתנה - מושג הידוע כ[[מוניזם]], וכי שינוי ותנועה הם אשליות בלבד. מסקנה זו, וכן הטיעונים שהביאו אליה, עשויים להיראות מוזרהמוזרים כאשר מתבוננים בהבהם באמצעות השיטה האמפירית המודרנית, אך פרמנידס דחה מפורשות את התפיסה החושית כדרך להבנת היקום, והשתמש במקום זאת בטיעונים מופשטים טהורים. ראשית, הוא האמין כי אין חלל ריק במציאות, והמושג שקול לאי-קיום: "אם הריק קיים, אזי הוא אינו שום דבר; ולכן הוא אינו ריק". מכאן הוא הסיק כי תנועה היא בלתי אפשרית, מאחר שאין ריק שאפשר לנוע לתוכו.<ref name="History of Western Philosophy">Bertrand Russel. (1946). ''History of Western Philosophy''. pg 75. ISBN 0-415-32505-6</ref> הוא כתב גם כי "קיום" חייב להיות שלמות בלתי ניתנת לחלוקה, כי אם הוא היה ניתן לחלוקה, אזי היה קיים ריק שיכול היה לחלק אותו לחלקים קטנים יותר - והרי הריק אינו קיים. לבסוף, הוא קבע כי השלמות חובקת-הכל אינה יכולה להשתנות, מאחר שהיא כבר כוללת בתוכה את כל מה שקיים ושעשוי להתקיים.

דמוקריטוס קיבל את רוב טיעוניו של פרמנידס, פרט לרעיון לפיושלפיו השינוי הוא [[אשליה]]. הוא האמין כי השינוי הוא אמיתי, וגם אם אין בו אמת, עדיין יש להסביר את מהות האשליה. לכן הוא תמך במושג של חלל ריק, וקבע כי היקום עשוי מישויות "פרמנידיות" בלתי ניתנות לחלוקה אשר נעות בריק. ישויות אלה, אשר הינן "קיימות", הן אם כך בלתי ניתנות לשינוי ולחלוקה ("אטומוס", המילה היוונית ל"בלתי ניתן לחיתוך"), אך הסידור שלהן בחלל משתנה כל הזמן. כל האטומים של דמוקריטוס היו עשויים מאותו חומר, אך היו בעלי מגוון בלתי-מוגבל של צורות וגדלים; תכונה זו, ביחד עם האפשרויות השונות לסידורם בחלל, הסבירה את כל החומרים והעצמים השונים ביקום.<ref name="From Atomos to Atom">Andre G. van Melsen. (1952) ''From Atomos to Atom''. ISBN 0-486-49584-1</ref>

במהלך המאה ה-11 ([[תור הזהב של האסלאם]]), אטומיסטים [[אסלאם|איסלאמיםאסלאמים]] פיתחו תיאוריות אטומיות אשר היוו מיזוג של ה[[אטומיזם]] היווני וההודי. הרעיונות העתיקים של היוונים וההודים פותחו ונוספו עליהם רעיונות איסלאמיםאסלאמיים חדשים, כגון האפשרות לקיומם של חלקיקים קטנים מן האטום. האסכולה המצליחה ביותר של האטומיזם האיסלאמיהאסלאמי הייתה האסכולה הפילוסופית של אשרית, אשר באה לידי ביטוי במיוחד בעבודתו של הפילוסוף אל-גזלי (1058 - 1111). באטומיזם אשריתי, האטומים הם העצמים הגשמיים הנצחיים היחידים שבנמצא, וכל שאר תכולתו של העולם היא "מקרית", או ארעית. דבר מקרי אינו יכול להיות הסיבה לשום דבר אחר, פרט לתחושות, מאחר שהוא קיים לרגע קצר בלבד. מקרים בלתי צפויים אינם נגרמים מסיבות פיזיות טבעיות, אלא הם תוצאה ישירה של התערבותו הבלתי-פוסקת של [[אלוהים]], בלעדיה שום דבר אינו יכול להתקיים. מכאן, הטבע תלוי באלוהים באופן מוחלט, רעיון אשר משתלב עם רעיונות אשריתיםאשריתיים איסלאמיםאסלאמיים אחרים העוסקים בסיבתיות או בהעדר סיבתיות.<ref name="Gardet">Gardet, L. “djuz’” in Encyclopaedia of Islam CD-ROM Edition, v. 1.1. Leiden: Brill, 2001.</ref>

== התיאוריההתאוריה האטומית המודרנית ==

[[תמונה:A New System of Chemical Philosophy fp.jpg||שמאל|ממוזער|אטומים ומולקולות שונות, כפי שאוירו בספרו של [[ג'ון דלטון]], "מערכתשיטה חדשה של פילוסופיה כימית" ([[1808]]).]]

בראשית [[המאה ה-19]], פיתח [[ג'ון דלטון]] פיתח את התיאוריההתאוריה האטומית שלו, בהשבה הציעטען כי כל יסוד כימי מורכב מאטומים מסוג אחד ויחיד, אשר הם בלתיאינם ניתנים לשינוי או להשמדה, אך עשויים להתאחד על מנת ליצור מבנים מורכבים יותר - [[תרכובת|תרכובות כימיות]]. לא ברור כיצד בדיוק הגיע דלטון לתיאוריהלתאוריה שלו, אך בכל מקרה, היא אפשרה לו להסביר מגוון של תגליות חדשות בכימיה שנעשו בידיו ובידי עמיתיו.

התגלית השניההשנייה הייתה [[חוק היחסים הקבועים]]. את החוק הוכיח הכימאי הצרפתי [[ז'וזף לואי פרוסט]] ב-[[1799]].<ref name="proust">Proust, Joseph Louis. "[http://web.lemoyne.edu/~GIUNTA/proust.html Researches on Copper]", excerpted from ''Ann. chim.'' 32, 26-54 (1799) [as translated and reproduced in Henry M. Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry, 1400-1900 (Cambridge, MA: Harvard, 1952)].</ref> לפי חוק זה טוען כי, אם תרכובת מתפרקת למרכיביה היסודיים, אזי המסות של המרכיבים יהיו תמיד באותו יחס, ללא קשר לכמות או למקור של התרכובת המקורית. כך לדוגמאלדוגמה, אם נפרקמפרקים [[מים]] למרכיביהם -, [[חמצן]] ו[[מימן]], - נקבל תמיד שמסתמסת החמצן הנוצר היא תמיד פי שמונה מסתממסת המימן הנוצר, מכיוון שמולקולת המים מכילה אטום חמצן שמסתו 16 יחידות אטומיות, ושני אטומי מימן שמסתם 1. פרוסט יצר [[נחושת|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 [[מספר שלם|מספרים שלמים]] קטנים. זוג אחד של תגובות אשר חקר דלטון היו צירופים של "אוויר חנקני", אשר ידוע כיום כ[[תחמוצת החנקן]] (NO), עם [[חמצן]] (O₂). תחת תנאים מסוימים, גזים אלו הרכיבו תוצר שהיה בלתי ידוע בזמנו -, אשר היוםכיום אנו יודעיםידוע כי הוא היה [[דו-תחמוצת החנקן]] (NO₂) - ביחס צירוף מסוים:

אך כאשר הוא 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 כ[[דו חנקן תלת חמצני]] (N₂O₃):

דלטון האמין גם כי התורה האטומית תוכל להסביר מדוע המים סופגים גזים[[גז]]ים שונים ביחסים שונים; לדוגמה, הוא מצא כי מים סופגים [[פחמן דו חמצני]] הרבה יותר טוב משהם סופגים [[חנקן]]. דלטון טען כי ההבדל היה 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 [[משקל אטומי|משקלים אטומיםאטומיים]] של מספר חומרים. המאמר פורסם ב-[[1805]], אך דלטון לא ציין בו כיצד הוא הגיע לערכים אלו.<ref name = "Dalton_1803_paper">Dalton, John. "[http://web.lemoyne.edu/~GIUNTA/dalton52.html On the Absorption of Gases by Water and Other Liquids]", in ''Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester''. 1803.</ref> את השיטה נחשפהחשף לראשונה ב-[[1807]] ע"י ידידו [[תומס תומסון]], במהדורה השלישית של ספר הלימוד של תומסון, "מערכת הכימיה". בסופו של דבר פירסםפרסם דלטון הסבר מלא בספר הלימוד שלו, "מערכתשיטה חדשה של פילוסופיה כימית", בשנים [[1808]] ו-[[1810]].

דלטון העריך את המשקלים האטומיםהאטומיים באמצעות יחסי המסות בהםשבהם 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).<ref>Johnson, Chris. "[http://www.bulldog.u-net.com/avogadro/avoga.html Avogadro - his contribution to chemistry]."</ref> טעויות אלה, נוסף על חוסרדיוק בדיוקמוגבל של הציוד בושבו הוא השתמש, גרמו לטבלהלשגיאות שתהיהרבות בעלת שגיאות רבותבטבלה. 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. אטוםאך חמצןלאמיתו הואשל למעשהדבר, אטום חמצן כבד פי 16 מאטום מימן.

את הפגמים בתיאוריהבתאוריה של דלטון תוקנותיקן ב-[[1811אמדאו אבוגדרו]] ע"י ב-[[אמדאו אבוגדרו1811]]. אבוגדרו הציעטען כי נפחים שווים של כל שני גזים, בטמפרטורה ולחץ שווים, מכילים מספר שווה של מולקולות - במלים אחרות, המסה של חלקיקי הגז אינה משפיעה על נפחו.<ref name="avogadro">Avogadro, Amedeo. "[http://web.lemoyne.edu/~giunta/avogadro.html Essay on a Manner of Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies, and the Proportions in Which They Enter into These Compounds]." 1811. ''Journal de Physique'', 73, 58-76.</ref> [[חוק אבוגדרו]] איפשר לו להסיק את טבעם הדו-אטומי של גזים רבים ע"יעל ידי מדידת הנפחים בהםשבהם הם יצרו תגובות. לדוגמה:, מאחר ששני ליטרים[[ליטר]]ים 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 אבוגדרו הצליח להציעאבוגדרו לתת הערכות מדויקות יותר למשקל האטומי של חמצן ויסודות רבים אחרים, ולבסס את ההבחנה בין מולקולות ואטומים.

ב-[[1827]], הבחין ה[[בוטנאי]] [[רוברט בראון (בוטנאי)|רוברט בראון]] כי חלקיקי [[אבקה (בוטניקה)|אבקה]] אשר צפו במים התנועעו בקביעות ללא סיבה נראית לעין. ב-[[1905]], שיער [[אלברט איינשטיין]] שיער כי ה[[תנועה בראונית|התנועהתנועה הבראונית]] הזו נגרמת ע"יעל ידי מולקולות מים אשר פוגעות ללא הרף בחלקיקי האבקה, ופיתח מודל מתמטי משוער שתיאר אותה.<ref name="einstein">Einstein, Albert. "[http://lorentz.phl.jhu.edu/AnnusMirabilis/AeReserveArticles/eins_brownian.pdf On the Movement of Small Particles Suspended in Stationary Liquids Required by the Molecular-Kinetic Theory of Heat]." ''Annal der Physik''.</ref> המודל אושר בניסוי ב-[[1908]] ע"יעל ידי הפיזיקאי הצרפתי [[ז'אן בפטיסט פרין]], וסיפק אישור נוסף לתיאוריה החלקיקית (ומכאן, לתיאוריהלתאוריה האטומית).

=== גילוי החלקיקים התת-אטומיםאטומיים ===

[[תמונה:JJ Thomson exp2.jpg|שמאל|300px|ממוזער|[[שפופרת קרוקס]] של [[ג' ג' תומסון|תומסון]], באמצעותהשבאמצעותה הוא גילה את ההסטה של [[קרן קתודית|קרניים קתודיות]] בעקבות [[שדה חשמלי]]. הקווים הסגולים מייצגים את זרם האלקטרונים המוטה.]]

האטומים נחשבו לחלקיקים הקטנים ביותר של החומר, עד שב-[[1897]] גילה [[ג' ג' תומסון]] את ה[[אלקטרון]] באמצעות עבודתו עם [[קרן קתודית|קרניים קתודיות]].<ref name="thomson">Thomson, J.J. "[http://web.lemoyne.edu/~GIUNTA/thomson1897.html Cathode rays]." ''Philosophical Magazine,'' 44, 293 (1897). [facsimile from Stephen Wright, Classical Scientific Papers, Physics (Mills and Boon, 1964).]</ref> [[שפופרת קרוקס]] היא מיכל זכוכית אטום ובו שתי [[אלקטרודה|אלקטרודות]] מופרדות באמצעות [[ריק]]. כאשר יוצרים [[מתח חשמלי]] באלקטרודות, נוצרות קרניים קתודיות, אשר גורמות לשטח קטן לזהור במקום בושבו הן פוגעות בזכוכית, בצדו השני של המיכל. באמצעות ניסויים, גילה תומסון כי הקרניים עשויות להיות מוסטות באמצעות [[שדה חשמלי]] (בנוסף להטיה באמצעות [[שדה מגנטי]], אשר הייתה כבר ידועה). הוא הסיק כי קרניים אלו לא היו [[גל]]ים, אלא חלקיקים [[מטען חשמלי|טעונים שלילית]] להםשאותם הוא קראכינה "גופיפים". מאוחר יותר קיבלו החלקיקים את שמם המוכר כיום, "אלקטרונים".

מאחר שנתגלה כי האטומים דווקא כן ניתנים לחלוקה, בסתירה לשמם, הפיזיקאים המציאו הפיזיקאים מאוחר יותר את המונח [[חלקיק יסודי|חלקיקים יסודיים]], לתיאור חלקיקים שהינם באמתשבאמת בלתיאינם ניתנים לחלוקה.

[[מודל עוגת הצימוקים]] של תומסון הופרך ב-[[1909]] ע"יעל ידי אחד מתלמידיו, [[ארנסט רתרפורד]], אשר גילהשגילה כי רוב המסה והמטען החיובי של האטום מרוכז בחלק קטן מאוד מנפחו, כנראה בדיוק במרכז.

ב[[ניסוי רתרפורד|ניסוי עלה הזהב]], שיגרו [[הנס גייגר]] ו[[ארנסט מרסדן]] -, עמיתים של רתרפורד אשר עבדו בהדרכתו - שיגרו, [[חלקיק אלפא|חלקיקי אלפא]] דרך יריעה דקה של [[זהב]] ולעבר [[קרינה פלואורסנטית|מסך פלואורסנט]] אשר הקיף את היריעה.<ref name="geiger">Geiger, H. "[http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Geiger-1910.html The Scattering of the α-Particles by Matter]." ''Proceedings of the Royal Society'' February 17, 1910. Series A 82: 495–500.</ref> עקב המסה הזעירה של האלקטרונים, ה[[תנע]] הגבוה של חלקיקי האלפא והפיזור האחיד של המטען החשמלי שנחזה ע"ילפי מודל עוגת הצימוקים, ציפו הנסיינים ציפו כי כל חלקיקי האלפא יעברו דרך האטומים ללא הסטה ניכרת, או יספגוייבלעו בהם. לתדהמתם, חלק קטן מחלקיקי האלפא חוו הסטה משמעותית. תוצאה זו הביאה את רתרפורד להציע את [[המודל הפלנטרי]] של האטום, בושבו אלקטרונים נקודתיים נעו במסלולים בחלל מסביב ל[[גרעין האטום]] -, כמו [[כוכב לכת|כוכבי הלכת]] (פלנטות) הנעים סביב [[השמש]].<ref name="rutherford">Rutherford, Ernest. "[http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Rutherford-1911/Rutherford-1911.html The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom]." ''Philosophical Magazine.'' May 1911. Series 6, Vol. 21.</ref>

ב-[[1913]], בעת ניסויים עם תוצרי [[רדיואקטיביות|התפרקויות גרעיניות]], הבחין ה[[רדיוכימיה|רדיוכימאי]] [[פרדריק סודי]] הבחין כי נראה שיש יותר מיסוד אחד בכל תא [[הטבלה המחזורית|בטבלה המחזורית]].<ref>{{cite web

באותה שנה, [[ג' ג' תומסון]] ערך ניסוי בו הואשבו ניתב זרם של [[יון|יוני]] [[נאון]] דרך שדות מגנטים וחשמליים, אשר פגעו בלוח צילום בצד השני. תומסון הבחין בשני אזורים זוהרים על לוח הצילום, אשר הצביעו על שני מסלולי הסטה שונים. תומסוןהוא הסיק מכאןמכך כי לחלק מיוני הנאון הייתה מסה שונה מלאחרים, ולכן הם נעו במסלול אחר.

טבעה של המסה המשתנה יוסבר לאחר מכן ע"יעל ידי גילוי ה[[נייטרון|נייטרונים]] ב-[[1932]].

ב-[[1918]], הפציץ [[ארנסט רתרפורד]] הפציץ גז [[חנקן]] ב[[חלקיק אלפא|חלקיקי אלפא]] והבחין כי גרעיני [[מימן]] נפלטו מן הגז. רתרפורד הסיק כי גרעיני המימן בקעו מגרעיני החנקן עצמם - כלומר, הוא ביקע את האטום.

מאוחר יותר הוא גילה רתרפורד כי המטען החיובי של כל אטום שווה תמיד לזה של מספר שלם של גרעיני מימן. גילוי זה, בנוסף לעובדה כי המימן היה היסוד הקל ביותר הידוע, וכי ה[[מסה אטומית|המסהמסה האטומית]] של כל יסוד אחר היתה כפולה שלמה בקירוב של המסה האטומית של המימן, הביאו אותו למסקנה כי גרעיני המימן הינםהם חלקיקים ייחודיים והם המרכיבים היסודיים של כל הגרעינים האטומים: [[פרוטון|פרוטונים]]. ניסויים נוספים שערך רתרפורד מצאו כי מסת הגרעינים של רוב האטומים עולה על זו של הפרוטונים שבגרעין. הוא הניח כי המסה העודפת מורכבת מחלקיק שהיה בלתי ידוע עד אז, שהיה בעל מטען חשמלי נייטרלי; לחלקיקים אלה הוא קרא באופן זמני "[[נייטרון|נייטרונים]]".

ב-[[1928]], הבחין [[ואלתר בותה]] הבחין כי כאשר מפציצים [[בריליום]] בחלקיקי אלפא, הוא פולט קרינה נייטרלית מבחינה חשמלית, אשר חודרת דרך חומר בקלות. מאוחר יותר נתגלההתגלה כי קרינה זו עשויה לשחרר אטומי מימן מתוך שעוות [[פרפין]]. בתחילה סברו כי זו [[קרינת גמא]], מאחר שלקרינה זו (המורכבת מ[[פוטון|פוטונים]] באנרגיה גבוהה) הייתה השפעה דומה על אלקטרונים במתכת, אך [[ג'יימס צ'דוויק]] מצא כי אפקט ה[[יינון]] היה חזק מכדי להיגרםשייגרם ע"יעל ידי קרינה אלקטרומגנטית. ב-[[1932]] הוא חשף יסודות שונים כגון מימן וחנקן ל"קרינת הבריליום" המסתורית, ובאמצעות מדידת האנרגיה של החלקיקים הטעונים הנרתעים מהחומר, הוא הסיק כי הקרינה הורכבה למעשה מחלקיקים נייטרליםנייטרליים, בעלי מסה דומה לזו של הפרוטון - הנייטרונים.

[[תמונה:Bohratommodel.svg|ימין|ממוזער|[[מודל בוהר]] של האטום.]]

[[המודל הפלנטרי]] של האטום סבל ממספר בעיות. ראשית, לפי [[נוסחת לרמור]] של [[תורת החשמל והמגנטיות הקלאסית]], [[מטען חשמלי|חלקיק טעון]] מאיץמואץ פולט [[גלי רדיו|גלים אלקטרומגנטיםאלקטרומגנטיים]]; מכאן, חלקיקשחלקיק בעל מטען חשמלי, כגון האלקטרון, יאבד אנרגיה בקצב קבוע וינוע במסלולים קרובים יותר ויותר לגרעין, עד שיתנגש בו תוך שבריר שניהשנייה. תופעה נוספת שהמודל הפלנטרי לא הצליח להסביר היא מדוע אטומים מעוררים פולטים קרינה ב[[ספקטרום פליטה|ספקטרום]] שאינו רציף - כלומר, רק באורכי גל מסוימים.

[[מכניקת הקוונטים|תורת הקוונטים]] גרמה למהפכה רבתי בפיזיקה בתחילת [[המאה ה-20]], כאשר [[מקס פלאנק]] ו[[אלברט איינשטיין]] העלו את ההשערה כי אנרגיית האור נפלטת או נקלטת במנות בדידות הקרויות [[קוונט]]ים(קוונטים). ב-[[1913]], שילב [[נילס בוהר]] שילב את הרעיון הזה ב[[מודל האטום של בוהר]], בושבו האלקטרונים מקיפים את הגרעין אך ורק במסלולים מסוימים בעלי ערכים קבועים של [[תנע זוויתי]] ואנרגיה, כאשר המרחק מהגרעין - רדיוס המסלול - הינוהוא פרופורציונלי לאנרגיה של האלקטרון.

במודל זה, האלקטרונים לא קרסו אל עבר האלקטרון, מאחר שהם לא יכלו לאבד אנרגיה בצורה רציפה; במקום זאת, הם יכלו לבצע רק [[קפיצה קוונטית|קפיצות קוונטיות]] בין [[רמת אנרגיה|רמות האנרגיה]] הקבועות מראש. כאשר זה קרה, נפלט או נקלטנבלע אור בתדירות פרופורציונליתפרופורציונית לשינוי באנרגיה - ומכאן התדירויות הבדידות של האור שנצפו בתהליך זה.

ב-[[1924]], שיער [[לואי דה ברויי]] שיער כי כל החלקיקים הנעים - ובפרט, חלקיקים תת-אטומים כגון אלקטרונים - מפגינים תכונות דמויות-גל. [[ארווין שרדינגר]], אשר הוקסם מהרעיון, חקר האם ניתן להסביר את תנועתם של האלקטרונים באטום כגלים ולא כחלקיקים. [[משוואת שרדינגר]], אשר פורסמה ב-[[1926]],

מתארת את האלקטרון כ[[פונקציית גל]] במקום כחלקיק נקודתי, והיא חזתה בצורה אלגנטית רבות מהתופעות הספקטרליות אשר מודל בוהר נכשל בהסברתן. למרותעל אף שרעיון זה היה נוח מבחינה מתמטית, היה קשה להמחישו בדמיון, והוא נתקל בהתנגדות.

[[תמונה:neon orbitals.JPG|שמאל|ממוזער|300px|חמשת ה[[אורביטל אטומי|אורביטלים האטומים]] של אטום נאון, מופרדים ומסודרים משמאל לימין בסדר אנרגיה עולה, כאשר שלושת האורביטלים הימנים הם [[ניוון (פיזיקה)|שווי אנרגיה]]. כל אורביטל מכיל עד שני אלקטרונים אשר קיימים רוב הזמן באזורים המיוצגים ע"יעל ידי הבועות הצבעוניות. כל אלקטרון קיים במידה שווה בשני אזורי האורביטל, אשר מוצגים כאן בצבעים שונים רק על מנת להבהיר שלשניהם מופע גלי שונה.]]

מאחר שפונקציית גל כוללת זמן בנוסף למיקום, איןלא זה אפשריניתן להפיק ממנה ערכים מדויקים הן עבור המיקום והן עבור ה[[תנע]] של חלקיק בכל נקודה נתונה בזמן; עקרוןעיקרון זה ידוע כ[[עקרון אי-הוודאות]]. עקרוןעיקרון זה סתר את מודל בוהר, עם המסלולים המעגליים המסודרים והמוגדרים היטב שלו. המודל המודרני של האטום מתאר את מיקומי האלקטרונים באטום במונחים של הסתברויות. אלקטרון עשוי, באופן פוטנציאלי, להימצא בכל מרחק אפשרי מהגרעין, אך - בתלות ברמת האנרגיה שלו - נוטה להתקיים לעתים קרובות יותר באזורים מסוימים מסביב לגרעין מאשר מבאחרים. האזור בו הסיכוי למציאת אלקטרון מסוים הוא מירבי נקרא [[אורביטל אטומי]].