Olet ehkä jo kuullut siitä, mitä kutsumme alkuaineeksi. Kaikki arjessamme esiintyvät aineet, myös oma kudoksemme ja luumme, koostuvat näistä alkuaineista, ja niiden määrä on yllättävän pieni.

Mikä erottaa yhden alkuaineen toisesta?
  Tähän kysymykseen vastataan tarkemmin, kun selitämme atomien rakennetta yksityiskohtaisemmin. Alkuaineet eroavat toisistaan atomitasolla; kullalla on erilaiset ominaisuudet kuin magnesiumilla, koska aineen yksittäisillä atomeilla on hieman erilaiset rakenteet. Tämä ero voi vaikuttaa fysikaalisiin ominaisuuksiin, kuten alkuaineen ulkonäköön puhtaassa muodossaan (esimerkiksi kulta on kiiltävä, kova, keltainen aine, kun taas magnesium on hopeinen ja joustavampi), ja ennen kaikkea kemiallisiin ominaisuuksiin eli siihen, miten ne reagoivat muiden aineiden kanssa (kulta on äärimmäisen reagoimaton, kun taas magnesium reagoi helposti veden kanssa). Rakenteelliset erot vaikuttavat myös siihen, miten ne yhdistyvät muiden alkuaineiden kanssa.
On hyödyllinen työkalu nimeltä jaksollinen järjestelmä, joka järjestää alkuaineet niiden atomirakenteen mukaan ja sen seurauksena myös niiden ominaisuuksien mukaan. Tähänkin palataan tarkemmin myöhemmin.

Kaikkea näkemäämme muodostavia alkuaineita ei voi tuottaa synteettisesti, vaan ne esiintyvät luonnollisesti. Mistä siis kaikki meitä muodostava hiili on peräisin? Kaikki vakaat alkuaineet, joita näemme, ovat todellisuudessa peräisin kaukaa Maan ulkopuolelta, avaruudesta. Kevyet alkuaineet raudaksi asti tuotetaan nukleosynteesinä tunnetussa prosessissa tähtien ytimissä. Tätä raskaammat alkuaineet syntyvät, kun tähdet kuolevat supernovaniksi kutsutuissa suurissa räjähdyksissä. Molemmat näistä prosesseista selitetään paljon tarkemmin myöhemmässä osiossa. Tämä voi antaa vihjeen siitä, miksi hiiltä on enemmän kuin kultaa universumissa, jos ajatellaan, että vain kaikkein massiivisimmat tähdet voivat polttaa raskaampia alkuaineita, kuten kultaa, ja läpikäydä supernovan.

Atomien olemassaoloa on teorisoitu muinaisista kreikkalaisista lähtien, kun filosofi Demokritos huomasi, että tietyssä vaiheessa hän ei voinut enää leikata leipäänsä pienemmäksi: se oli jakamaton. Hän ehdotti, että kaiken täytyy koostua joistakin perustavanlaatuisista rakennuspalikoista, joita ei voi tuhota, ja hän nimesi ne kreikkalaisesta sanasta ‘atomos’, joka tarkoittaa ‘ei-leikattava’.
Modernimpi käsitys atomeista alkoi kuitenkin kemian kehittymisen myötä. John Dalton huomasi, että 8 grammaa happea yhdistyi aina täsmälleen 1 grammaan vetyä. Tämä johti teoriaan, jonka mukaan tietty määrä pieniä kohteita yhtä alkuainetta täytyy yhdistyä tietyn määrän toista, ja jokainen näistä kohteista oli erilainen eri alkuaineille. Tästä kehittyi atomin idea. Vaikka kemistit ymmärsivät atomien perusidean, fyysikot löysivät, että atomissa oli enemmän kuin aluksi ajateltiin.

Ytimen löytyminen
  Kun atomit olivat hyväksytty käsitys materiaalin rakenteesta hyvin pienessä mittakaavassa, tiedemiehet alkoivat teorisoida siitä, mikä antoi atomille sen ominaisuudet; miksi kultaatomit käyttäytyivät eri tavalla kuin magnesiumatomit. Yksi hyväksytyimmistä teorioista oli ‘vaniljakakkumalli’. Tässä mallissa atomi oli positiivisten varausten meri, jonka seassa oli negatiivisia varauksia, jotka kumoavat toisensa niin, että atomi oli neutraali.
  Ensimmäinen todiste siitä, että todellinen rakenne oli täysin erilainen, löydettiin vuonna 1911 kokeessa, jonka Hans Geiger ja Ernest Marsden suorittivat Ernest Rutherfordin ehdotuksesta. He pommittivat kuuluisasti kultafoliota (vain muutaman atomin paksuinen) alfapartikkeleina tunnetuilla hiukkasilla: positiivisesti varautuneilla hiukkasilla, joiden tiedettiin nykyään olevan heliumytimiä. He havaitsivat, että osa hiukkasista pompahti suoraan takaisin ilmaisimeen osuessaan folioon, sen sijaan että ne olisivat menneet suoraan läpi tai taipuneet loivasti, kuten ‘vaniljakakkumallin’ perusteella odotettiin.
  Tämä inspiroi Rutherfordia päättelemään, että atomeilla on todellakin hyvin pieni tilavuus positiivista varausta keskellä, mikä sai suoraan osuneet alfapartikkelit pomppaamaan takaisin. Hän myös ymmärsi, että suuri osa atomista täytyy koostua tyhjästä tilasta, jotta suurin osa hiukkasista menisi suoraan läpi. Hiukan taipuneet hiukkaset olivat todennäköisesti menneet hyvin läheltä keskellä olevaa positiivista varausta ja ne tönnättiin samankaltaisen varauksen toimesta.
  Hänen lopullinen mallinsa koostui pienestä positiivisen varauksen pallosta atomin keskellä, jota hän kutsui ytimeksi, ja jotta atomi olisi neutraali, negatiivisia elektroneita, jotka kiertävät ympäri sitä planeettaratojen tapaan. Tämä malli oli hyväksytty teoria siihen asti, kunnes modernimmat kvanttifysiikan kokeet osoittivat, ettei se ollut täysin oikea.

Ydin
  Kuten otsikko viittaa, ydinfyysikot keskittyvät atomien ytimien käyttäytymiseen, joten heidän on tärkeää ymmärtää sen rakenne. Elektronit oli jo löytänyt J.J. Thomson, kun hän osoitti, että katodisäteet koostuivat todellisuudessa negatiivisesti varautuneista hiukkasista, joiden tarkka varaus/massa-suhde mitattiin myöhemmin Millikanin kokeessa varautuneista öljypisaroista. Monien vuosien ajan ennen Rutherfordin koetta oli ehdotettu, että kaikki atomit koostuisivat vetyatomeista, mikä oli lähes oikein. Vuonna 1917 Rutherford suoritti kokeen, jossa ammuttiin alfapartikkeleja puhtaaseen typpikaasuun. Hänen ilmaisimensa näyttivät vetytumien signaalit, ja hän päätteli, että ne olivat täytyneet emittoitua typpitumista törmäysten jälkeen alfapartikkelien kanssa. Hän päätti, että tämä tarkoitti, että typpiytimessä oli vetytumia eli protoneja. Tätä pidetään ensimmäisenä tallennettuna ydinreaktiona.
  Tässä vaiheessa tiedemiehet olivat kehittäneet käsitteet massa- ja atomiluvuista.
Massakuku on atomin todellinen massa (voimme itse asiassa olettaa sen olevan ytimen massa, koska elektroneilla on merkityksetön massa) ja atomiluku on protonien määrä eli elektronien määrä atomissa. Neutronin olemassaoloa ehdotti ensin Rutherford vuonna 1920 selittämään atomilukujen ja massakukujen eroa ytimissä. James Chadwick kuitenkin osoitti vuonna 1932, että aiemmin gammasäteilyksi luultu säteily koostui todellisuudessa neutraaleista hiukkasista, joiden massa oli suunnilleen sama kuin protonilla. Hiukkaset nimettiin neutroneiksi, ja ne sopivat ytimistä puuttuvaksi massaksi.
  Yhteinen nimitys protoneille ja neutroneille, jotka molemmat sijaitsevat ytimessä, on nukleonit. Nukleoneja pitää koossa vahva voima, joka on yksi neljästä perusvoimasta universumissa. Tämä voima on noin 10³⁸ kertaa vahvempi kuin painovoima, toimii vain 10^-15 m:n etäisyydellä ja voittaa protonien samankaltaisten positiivisten varausten välisen sähköstaattisen hylkimisen.
Ytimen säteen voidaan löytää sirottamalla elektroneita ytimistä ja tutkimalla kuviota. Vaikka voimme tehdä laskelman käyttäen liikemäärän säilymistä tässä skenaariossa, kokeet ovat osoittaneet, että yhtälö ytimen säteelle voidaan approksimoida kaavalla:

R = r₀ A^1/3