อะตอม (กรีก: άτομον; อังกฤษ: Atom) มีความหมายตามรากศัพท์ว่าแบ่งแยกไม่ได้เพราะในอดีตที่ตั้งชื่อคำนี้ขึ้นมา เชื่อว่าอะตอมเป็นสิ่งที่เล็กที่สุดแล้ว แม้ว่าอะตอมเป็นโครงสร้างขนาดเล็กมากมองด้วยตาเปล่าไม่เห็นในปัจจุบันเรา ทราบว่าอะตอมนั้นประกอบขึ้นจากอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอม อะตอมพบได้สสารทุกชนิดและเป็นรากฐานของการศึกษาวิชาเคมีและฟิสิกส์ อะตอมแต่ละชนิดมีชื่อเรียกต่างกันไปตามจำนวนอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นอะตอม นั้น รายชื่อเรียกอะตอมมีจัดทำขึ้นเป็นตารางเรียกว่าตารางธาตุ
อนุภาคหลักที่พบได้ในอะตอมทั่วไปมี 3 ชนิด คือ
อะตอมเป็นองค์ประกอบพื้นฐานทางเคมีซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงตามปฏิกิริยาเคมี ธาตุที่พบได้ตามธรรมชาติบนโลกนี้นั้นมีปรากฏอยู่ประมาณ 90 ชนิดเท่านั้น (นอกเหนือจากนี้มี ธาตุบางชนิดเช่น เทคนิเซียม และ แคลิฟอร์เนียม ที่พบได้ในซูเปอร์โนวา และธาตุที่เลขอะตอมสูง (มากกว่า 100 ขึ้นไป) ที่สามารถสังเคราะห์ได้จาก การนำอะตอมมาชนกันด้วยความเร็วสูง)
เราเรียกอะตอม สองอะตอมว่าเป็นธาตุเดียวกันก็ต่อเมื่อ อะตอมสองอันนั้นมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน โดยทั่วไปแล้ว ธาตุแต่ ละธาตุไม่เหมือนกัน อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีจำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกัน เราเรียกสองอะตอมที่มีจำนวนโปรตรอนเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนแตกต่างกันนั้นจะ เรียกว่าเป็นไอโซโทป (isotope)
นอกจากธาตุที่เกิดตามธรรมชาติแล้ว ยังมีธาตุที่ถูกสร้างขึ้น แต่ธาตุเหล่านี้มักจะไม่เสถียร และ สลายไปเป็นธาตุอื่นที่เสถียร โดยกระบวนการสลายกัมมันตรังสี ตัวอย่างเช่น Beta Decay, Double Beta Decay, Beta Capture, Gamma Decay และอื่น ๆ
ถึงแม้ว่าจะมีธาตุที่เกิดตามธรรมชาติเพียง 90 ชนิด อะตอมของธาตุเหล่านี้สามารถสร้างพันธะทางเคมี รวมกันเป็นโมเลกุล และองค์ประกอบชนิดอื่นๆ โมเลกุลเกิดจากการรวมตัวกันของอะตอมหลายอะตอม เช่น โมเลกุลของน้ำเกิดจากการรวมตัวกันของอะตอมไฮโดรเจน 2 อะตอม และ อะตอมออกซิเจน 1 อะตอม
เนื่องจากอะตอมเป็นสิ่งที่มีอยู่ไปทั่วทุกที่ จึงเป็นหัวข้อศึกษาที่ได้รับความสำคัญในหลายศตวรรษที่ผ่านมา หัวข้อวิจัยทางด้านอะตอมในปัจจุบันจะเน้นทางด้าน quantum effects เช่น ของเหลวผลควบแน่นโบส-ไอน์สไตน์ (อ้างอิงจากวิกิพีเดีย)
ในปี พ.ศ. 2346 (ค.ศ. 1803) จอห์น ดอลตัน (John Dalton) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมเพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา รวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบ ซึ่งสรุปได้ดังนี้
1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ หลายอนุภาค อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า “อะตอม” ซึ่งแบ่งแยกไม่ได้ และทำให้สูญหายไม่ได้
2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน เช่นมีมวลเท่ากัน แต่จะมีสมบัติต่างจากอะตอมของธาตุอื่น
3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยาเคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อย ๆ
เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (J.J Thomson) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้สนใจปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด จึงทำการทดลองเกียวกับการนำไฟฟ้าของแก๊สขึ้นในปี พ.ศ. 2440 (ค.ศ. 1897) และได้สรุปสมบัติของรังสีไว้หลายประการ ดังนี้
1. รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด เนื่องจากรังสีแคโทดทำให้เกิดเงาดำของวัตถุได้ ถ้านำวัตถุไปขวางทางเดินของรังสี
3. รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ เนื่องจากเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า
จากผลการทดลองนี้ ทอมสันอธิบายได้ว่า อะตอมของโลหะที่ขั้วแคโทดเมื่อได้รับกระแสไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมาจากอะตอม อิเล็กตรอนมีพลังงานสูง และเคลื่อนที่ภายในหลอด ถ้าเคลื่อนที่ชนอะตอมของแก๊สจะทำให้อิเล็กตรอนในอะตอมของแก๊สหลุดออกจากอะตอม อิเล็กตรอนจากขั้วแคโทดและจากแก๊สซึ่งเป็นประจุลบจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วแอโนด ขณะเคลื่อนที่ถ้ากระทบฉากที่ฉาบสารเรืองแสง เช่น ZnS ทำให้ฉากเกิดการเรืองแสง ซึ่งทอมสันสรุปว่ารังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบเรียกว่า “อิเล็กตรอน” และยังได้หาค่าอัตราส่วนประจุต่อมวล (e/m) ของอิเล็กตรอนโดยใช้สยามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าช่วยในการหา ซึ่งได้ค่าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1.76 x 108 C/g ค่าอัตราส่วน e/m นี้จะมีค่าคงที่ ไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะที่เป็นขั้วแคโทด และไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สที่บรรจุอยู่ในหลอดรังสีแคโทด แสดงว่าในรังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุลบเหมือนกันหมดคือ อิเล็กตรอน นั่นเอง ทอมสันจึงสรุปว่า “อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมซึ่งมีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไป อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ”
แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
ในปี พ.ศ. 2453 (ค.ศ. 1910) เซอร์ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Sir Ernest Rutherford) ได้ศึกษาแบบจำลองอะตอมของทอมสัน และเกิดความสงสัยว่าอะตอมจะมีโครงสร้างตามแบบจำลองของทอมสันจริงหรือไม่ โดยตั้งสมมติฐานว่า
“ถ้าอะตอมมีโครงสร้างตามแบบจำลองของทอมสันจริง ดังนั้นเมื่อยิงอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นบวกเข้าไปในอะตอม แอลฟาทุกอนุภาคจะทะลุผ่านเป็นเส้นตรงทั้งหมดเนื่องจากอะตอมมีความหนาแน่นสม่ำเสมอเหมือนกันหมดทั้งอะตอม”
เพื่อพิสูจน์สมมติฐานนี้ รัทเทอร์ฟอร์ดได้ทำการทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำบาง ๆ โดยมีความหนาไม่เกิน 10–4 cm โดยมีฉากสารเรืองแสงรองรับ ปรากฏผลการทดลองดังนี้
1. อนุภาคส่วนมากเคลื่อนที่ทะลุผ่านแผ่นทองคำเป็นเส้นตรง
2. อนุภาคส่วนน้อยเบี่ยงเบนไปจากเส้นตรง
3. อนุภาคส่วนน้อยมากสะท้อนกลับมาด้านหน้าของแผ่นทองคำ
คลื่นชนิดต่าง ๆ เช่น คลื่นแสง คลื่นเสียง มีสมบัติสำคัญ 2 ประการ คือ ความยาวคลื่นและความถี่
แสงที่ประสาทตาคนรับได้เรียกว่า “แสงที่มองเห็นได้” (visible light) ซึ่งมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 – 700 nm แสงในช่วงคลื่นนี้ประกอบด้วยแสงสีต่าง ๆ กัน ตามปกติประสาทตาของคนสามารถสัมผัสแสงบางช่วงคลื่นที่ส่องมาจากดวงอาทิตย์ได้ แต่ไม่สามารถแยกเป็นสีต่าง ๆ จึงมองเห็นเป็นสีรวมกันซึ่งเรียกว่า “แสงขาว”
แบบจำลองอะตอมของกลุ่มหมอก
แบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดี แต่ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้ จึงได้มีการศึกษาเพิ่มเติมทางกลศาสตร์ควอนตัม แล้วสร้างสมการสำหรับใช้คำนวณ โอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่าง ๆ ขึ้นมา จนได้แบบจำลองใหม่ ที่เรียกว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอย่างรวดเร็ว ด้วยรัศมีไม่แน่นอนจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้บอกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในบริเวณต่าง ๆ ปรากฏการณ์แบบนี้เรียกว่ากลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน บริเวณที่มีกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนหนาแน่นจะมีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณที่เป็นหมอกจาง
การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอาจเป็นรูปทรงกลมหรือรูปอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอน แต่ผลรวมของกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนทุกระดับพลังงาน
