Атом је најмања јединица материје која дефинише хемијске елементе. Материја у чврстом, течном, гасовитом стању, или у облику плазме се састоји од неутралних или јонизованих атома. Атоми су веома мали: величина атома се мери у пикометрима — билионитим деловима (10−12) метра. Сваки атом се састоји од језгра и једног или више електрона који круже око нуклеуса. Нуклеус се састоји од једног или више протона и типично сличног броја неутрона (водоник-1 нема неутрона). Протони и неутрони се називају нуклеонима. Преко 99,94% атомске масе је у језгру. Протони имају позитивно електрично наелектрисање, електрони имају негативно електрично наелектрисање, а неутрони нису наелектрисани. Ако је број протона и електрона једнак, тај атом је електрично неутралан. Ако атом има вишак или мањак електрона у односу на протоне, онда он има свеукупно позитивно или негативно наелектрисање, и назива се јон.
Електроне атома привлаче протони атомског нуклеуса посредством електромагнетне силе. Протони и неутрони у нуклеусу се међусобно привлаче дејством различитих сила, нуклеарних сила, које су обично јаче од електромагнетне силе међусобног одбијања позитивно наелектрисаних протона. Под одређеним околностима одбијајућа електромагнетна сила постаје јача од нуклеарне силе, и нуклеони могу да буду избачени из језгра, остављајући иза себе различити елемент: нуклеарно распадање доводи до нуклеарне трансмутације.
Број протона у језгру дефинише којем хемијском елементу атом припада. На пример, сви атоми бакра садрже 29 протона. Број неутрона дефинише изотоп елемента. Број електрона утиче на магнетна својства атома. Атоми се могу везати за један или више других атома путем хемијских веза чиме се формирају хемијска једињења као што су молекули. Способност атома да се асоцира и дисоцира је одговорна за већину физичких промена приметних у природи, и тема је науке хемије.
Нису све масе у свемиру састављене од атома. Тамна материја се састоји од не само материје, већ и од честица које су тренутно непознатог типа. Такође, класична Њутнова физика не објашњава многе од особина и понашања атома и субатомских честица: поље квантне механике је развијено ради тога.
Историја атомске теорије
Прве идеје о атому су дали грчки филозоф Леукип и његов ученик Демокрит у 5. и 4. веку пре нове ере, који су говорили да је свет грађен од бесконачног броја невидљивих и недељивих честица- атома (-{άτομος}-- недјељив). Говорили су да су атоми вјечни и да се разликују по облику, тежини, тврдоћи и величини. Такође, тврдили су да се атоми крећу у празном простору, праволинијски - одозго према доле. Тежи се брже крећу, сустижу лакше, групишу и тако граде све ствари. Демокрит је тврдио да су права својства атома: облик, величина, тежина, покрет и тврдоћа. Секундарна својства су: боје, мириси и укуси.
Откриће електрона 1897. (Ј. Ј. Томпсон) показало је да се у атомима налазе још фундаменталније честице. 14 година касније, Рутхерфорд је открио да се већина масе атома налази у сићушном језгру (нуклеус) чији је радијус само 1/100000 у односу на цели атом. У међувремену, Макс Планк (1858—1947) поставио је теорију да се светлост састоји од фотона који су еквивалент честицама валног гибања.
У филозофији
Основна идеја да се материја састоји од сићушних недељивих честица је стара идеја која се појавила у многим древним културама. Реч атом потиче од старогрчке речи atomos, што значи „нерезиви“. Ова древна идеја била је заснована на филозофском расуђивању, а не на научном расуђивању. Савремена атомска теорија није заснована на овим старим концептима. Почетком 19. века, научник Џон Далтон приметио је да се хемијски елементи комбинују једни са другима у виду дискретних јединица тежине, и одлучио је да користи реч „атом“ да се односи на ове јединице, јер је мислио да су то основне јединице материје.: "Dalton reaffirmed that atoms are indivisible and indestructible and are the ultimate constituents of matter." Отприлике један век касније откривено је да Далтонови атоми заправо нису недељиви, али се термин задржао.
Далтонов закон вишеструких пропорција right|thumb|Различити атоми и молекули као што је приказано у делу Џона Далтона Нови систем хемијске филозофије (1808).
Почетком 1800-их, енглески хемичар Џон Далтон је објединио експерименталне податке које су прикупили он и други научници и открио образац који је сада познат као „закон умножених масених односа”. Приметио је да се у хемијским једињењима која садрже одређени хемијски елемент садржај тог елемента разликовати по тежини у виду односа малих целих бројева. Овај образац је сугерисао да се сваки хемијски елемент комбинује са другим елементима по основној јединици тежине, а Далтон је одлучио да те јединице назове „атомима“.
На пример, постоје две врсте калајног оксида: један је сиви прах који садржи 88,1% калаја и 11,9% кисеоника, а други је бели прах који садржи 78,7% калаја и 21,3% кисеоника. Прилагођавајући ове цифре, у сивом праху има око 13,5 g кисеоника на сваких 100 g калаја, а у белом праху око 27 g кисеоника на сваких 100 g калаја. 13,5 и 27 чине однос 1:2. Далтон је закључио да у овим оксидима за сваки атом калаја постоје један или два атома кисеоника (SnO и SnO2).
Далтон је такође анализирао оксиде гвожђа. Постоји једна врста оксида гвожђа који је црни прах који садржи 78,1% гвожђа и 21,9% кисеоника; а постоји још један оксид гвожђа који је црвени прах који садржи 70,4% гвожђа и 29,6% кисеоника. Прилагођавајући ове бројке, у црном праху има око 28 g кисеоника на сваких 100 g гвожђа, а у црвеном праху око 42 g кисеоника на сваких 100 g гвожђа. 28 и 42 чине однос 2:3. Далтон је закључио да у овим оксидима, на свака два атома гвожђа, постоје два, односно три атома кисеоника (Fe2O2 и Fe2O3).
Као финални пример: азот-субоксид је 63,3% азота и 36,7% кисеоника, азот-моноксид је 44,05% азота и 55,95% кисеоника, а азот диоксид је 29,5% азота и 70,5% кисеоника. Прилагођавајући ове бројке, у азот-субоксиду је 80 g кисеоника на сваких 140 g азота, у азот-оксиду је око 160 g кисеоника на сваких 140 g азота, а у азот-диоксиду је 320 g кисеоника на сваких 140 g азота. 80, 160 и 320 чине однос 1:2:4. Одговарајуће формуле за ове оксиде су N2O, NO, и NO2.
Изомеризам
Научници су открили да неке супстанце имају потпуно исти хемијски садржај, али различита својства. На пример, 1827. године, Фридрих Велер је открио да сребро фулминат и сребро цијанат чине 107 делова сребра, 12 делова угљеника, 14 делова азота и 12 делова кисеоника (сада је познато да је њихова формула AgCNO). Године 1830, Јонс Јакоб Берцелијус је увео термин изомеризам да би описао овај феномен. Године 1860, Луј Пастер је претпоставио да молекули изомера могу имати исти скуп атома, али у различитим распоредима.
Године 1874, Јакобус Хенрикус ван'т Хоф је предложио да се атом угљеника вежује за друге атоме у тетраедарском распореду. Радећи на бази овога, објаснио је структуре органских молекула на такав начин да је могао да предвиди колико изомера може имати једињење. Размотрите, на пример, пентан (C5H12). У ван'т Хофовом начину моделовања молекула, постоје три могуће конфигурације за пентан, и научници су открили три и само три изомера пентана.
Периодни систем
Године 1870, Дмитриј Мендељејев је приметио да када се распореде елементи у низу према њиховој атомској тежини, постоји одређена периодичност њихових својстава. На пример, други елемент, литијум, имао је слична својства као и девети елемент, натријум, и шеснаести елемент, калијум - периода од седам. Исто тако, берилијум, магнезијум и калцијум су били слични и сви су били удаљени седам места једно од другог у Мендељејевој табели. Користећи ове обрасце, Мендељејев је предвидео постојање и својства нових елемената који су касније откривени у природи: скандијума, галијума и германијума. Штавише, периодна табела може предвидети са колико атома других елемената се атом може повезати - на пример, атом угљеника и атом германијума се могу комбиновати са два атома кисеоника, и ови елементи су у истој групи. Мендељејев је открио да ови обрасци потврђују атомску теорију, јер је показано да се елементи могу категорисати према њиховој атомској тежини.
Откриће електрона
Године 1897, Џ. Џ. Томсон је открио да катодни зраци нису електромагнетни таласи, већ су направљени од честица, јер се могу одбити електричним и магнетним пољима. Он је измерио да су ове честице 1800 пута лакше од водоника (најлакшег атома). Томсон је закључио да ове честице потичу од атома унутар катоде - биле су субатомске честице. Ове нове честице је назвао корпускулама, али су касније преименоване у електроне. Томсон је такође показао да су електрони идентични честицама које дају фотоелектрични и радиоактивни материјали. Брзо је постало познато да су електрони честице које носе електричне струје у металним жицама. Томсон је закључио да су ти електрони настали из самих атома катоде у његовим инструментима, што је значило да атоми нису недељиви као што је Далтон мислио.
Откриће језгра thumb|right|Гејгер-Марсденов експеримент:Лево: Очекивани резултати: алфа честице пролазе кроз модел атома пудинга од шљиве са занемарљивим отклоном.Десно: Уочени резултати: мали део честица је одбијен због концентрисаног позитивног наелектрисања језгра.
Џ. Џ. Томсон је сматрао да су негативно наелектрисани електрони распоређени по атому у мору позитивног наелектрисања које је распоређено по целој запремини атома. Овај модел се понекад назива модел пудинга од шљива.
Ернест Радрфорд и његове колеге Ханс Гајгер и Ернест Марсден су посумњали у Томсонов модел након што су наишли на потешкоће када су покушали да направе инструмент за мерење односа наелектрисања и масе алфа честица (ово су позитивно наелектрисане честице које емитују одређене радиоактивне супстанце као што је радијум). Алфа честице бивају распршене ваздухом у комори за детекцију, због чега су мерења била непоуздана. Томсон се суочио са сличним проблемом у свом раду на катодним зрацима, који је решио стварањем скоро савршеног вакуума у својим инструментима. Радерфорд није мислио да ће наићи на исти проблем јер су алфа честице много теже од електрона. Према Томсоновом моделу атома, позитивно наелектрисање у атому није довољно концентрисано да произведе електрично поље довољно јако да одбије алфа честицу, а електрони су толико лагани да би их много теже алфа честице требало без напора да одгурну у страну. Ипак, дошло је до расејања, та су Радерфорд и његове колеге одлучили да пажљиво истраже ово расипање.
Између 1908. и 1913. Радерфорд и његове колеге су извели низ експеримената у којима су бомбардовали танке металне фолије алфа честицама. Приметили су да се алфа честице одбијају под угловима већим од 90°. Да би ово објаснио, Радерфорд је предложио да позитивно наелектрисање атома није распоређено по запремини атома као што је Томсон веровао, већ је концентрисано у малом језгру у центру. Само тако интензивна концентрација наелектрисања могла би да произведе електрично поље довољно јако да одбије алфа честице као што је примећено.
Откриће изотопа
Док је експериментисао са производима радиоактивног распада 1913. године, радиохемичар Фредерик Соди је открио да изгледа да постоји више од једног типа атома на свакој позицији у периодном систему. Ови атоми су имали иста својства, али различите атомске тежине. Термин изотоп је сковала Маргарет Тод као одговарајући назив за атоме различите тежине који припадају истом елементу. Џ. Џ. Томсон је створио технику за одвајање изотопа кроз свој рад на јонизованим гасовима, што је касније довело до открића стабилних изотопа.
Боров модел right|thumb|Боров модел атома, са електроном који прави тренутне „квантне скокове” из једне орбите у другу уз добијање или губитак енергије. Овај модел електрона у орбитама је застарео.