Você provavelmente já ouviu falar do que chamamos de elemento. Todo material que temos em nossas vidas cotidianas, incluindo nossos próprios tecidos e ossos, é feito desses elementos, e há um número surpreendentemente pequeno deles.

O que torna um elemento diferente de outro?
  Esta questão será respondida mais completamente quando explicarmos a estrutura dos átomos em mais detalhes. Os elementos diferem na escala atômica; o ouro tem propriedades diferentes do magnésio porque os átomos individuais do material têm estruturas ligeiramente diferentes. Essa diferença pode afetar as propriedades físicas, como a aparência do elemento em sua forma pura (por exemplo, o ouro é uma substância brilhante, dura e amarela, enquanto o magnésio é prateado e mais flexível), e mais importante, as propriedades químicas, ou como eles interagem com outras substâncias (o ouro é extremamente inerte, enquanto o magnésio reage prontamente com a água). Suas diferenças estruturais também afetam como eles se combinam com outros elementos.
Existe uma ferramenta útil, chamada Tabela Periódica, que organiza os elementos de acordo com sua estrutura atômica e, consequentemente, suas propriedades. Isso também será analisado em mais detalhes posteriormente.

Os elementos que compõem tudo o que vemos não podem ser produzidos sinteticamente, mas sim são encontrados naturalmente. Então, de onde veio todo o carbono de que somos feitos? Todos os elementos estáveis que vemos na verdade se originaram muito além da Terra, no espaço. Os elementos leves até o ferro são produzidos num processo chamado nucleossíntese nos núcleos das estrelas. Os elementos acima deste são produzidos quando as estrelas morrem em gigantescas explosões chamadas supernovas. Ambos esses processos serão explicados com muito mais detalhes em uma seção posterior. Isso pode dar uma pista do porquê há mais carbono do que ouro no Universo, se você considerar que apenas as estrelas mais massivas podem queimar elementos mais pesados como o ouro e sofrer supernovas.

A existência dos átomos foi teorizada desde os dias dos antigos gregos, quando o filósofo Demócrito percebeu que em certo ponto ele não podia cortar seu pão ainda menor: era indivisível. Ele sugeriu que tudo deveria ser feito de alguns blocos fundamentais, que não podem ser destruídos, e os nomeou com base na palavra grega ‘atomos’, que significa ‘sem corte’.
No entanto, uma ideia mais moderna de átomos começou com o avanço da química. John Dalton percebeu que 8 gramas de oxigênio sempre se combinavam exatamente com 1 grama de hidrogênio. Isso levou à teoria de que um certo número de objetos em uma escala minúscula de um elemento deve se combinar com um certo número de outro, e cada um desses objetos era diferente para cada elemento. Isso evoluiu para a ideia de átomos. Enquanto os químicos tinham a ideia básica dos átomos, foram os físicos que descobriram que havia mais no átomo do que se pensava inicialmente.

A descoberta do núcleo
  Quando os átomos se tornaram uma ideia aceita da estrutura dos materiais em uma escala muito pequena, os cientistas começaram a teorizar sobre o que dava a um átomo suas propriedades; por que átomos de ouro se comportavam diferentemente dos átomos de magnésio. Uma das teorias mais amplamente aceitas era a do ‘modelo do pudim de ameixa’. Nesse modelo, o átomo era um mar de cargas positivas intercaladas com cargas negativas, que então se cancelavam para que o átomo fosse neutro.
  A primeira evidência de que a estrutura real era completamente diferente foi encontrada em 1911 em um experimento conduzido por Hans Geiger e Ernest Marsden por sugestão de Ernest Rutherford. Eles bombardearam famosamente uma folha de ouro (apenas alguns átomos de espessura) com o que conheciam como partículas alfa: partículas positivamente carregadas que hoje são conhecidas como núcleos de hélio. Eles descobriram que algumas das partículas ricocheteavam diretamente de volta ao detector após atingir a folha, em vez de passarem diretamente ou serem defletidas em ângulos leves, como esperado com base no ‘modelo do pudim de ameixa’.
  Isso inspirou Rutherford a concluir que os átomos na verdade têm um volume muito pequeno de carga positiva no centro, o que fez com que as partículas alfa que o atingiram de frente ricocheteassem. Ele também percebeu que grande parte do átomo deve ser composta de espaço vazio para que a maioria das partículas passasse diretamente. Aquelas partículas que foram levemente defletidas devem ter passado muito perto da carga positiva no centro e foram repelidas pela carga semelhante.
  Seu modelo final consistia em uma pequena bola de carga positiva no centro do átomo, que ele chamou de núcleo, e para garantir que o átomo fosse neutro, elétrons negativos orbitando isso de maneira semelhante a órbitas planetárias. Este modelo foi a teoria aceita até experimentos de física quântica mais modernos mostrarem que não estava completamente correto.

O núcleo
  Como o título sugere, os físicos nucleares concentram-se no comportamento dos núcleos dos átomos, por isso é fundamental para eles entender sua estrutura. Os elétrons já tinham sido descobertos por J.J. Thomson quando ele mostrou que os raios catódicos na verdade consistiam em partículas negativamente carregadas, cuja relação carga/massa exata foi medida posteriormente no experimento de Millikan com gotas de óleo carregadas. Muitos anos antes do experimento de Rutherford havia sido sugerido que todos os átomos eram feitos de átomos de hidrogênio, o que estava quase correto. Em 1917, Rutherford realizou um experimento que envolvia disparar partículas alfa em gás nitrogênio puro. Seus detectores mostraram os sinais para núcleos de hidrogênio e ele concluiu que eles devem ter sido emitidos dos núcleos de nitrogênio após colisões com as partículas alfa. Ele decidiu que isso significava que o núcleo de nitrogênio continha núcleos de hidrogênio, ou prótons. Isso é considerado a primeira reação nuclear registrada.
  Nesse ponto, os cientistas tinham desenvolvido o conceito de números de massa e atômicos.
O número de massa é a massa real do átomo (podemos na verdade assumir que é a massa do núcleo, já que os elétrons têm massa desprezível) e o número atômico é o número de prótons, ou o número de elétrons no átomo. A existência do nêutron foi primeiramente sugerida por Rutherford em 1920 para explicar a discrepância entre os números atômicos e os números de massa dos núcleos. No entanto, foi James Chadwick em 1932 que mostrou que a radiação anteriormente considerada como raios gama era na verdade composta de partículas neutras de massa aproximadamente igual à dos prótons. As partículas foram nomeadas nêutrons e se encaixaram na teoria nuclear como a massa faltante.
  O termo coletivo para prótons e nêutrons, ambos os quais residem no núcleo, é núcleons. Os núcleons são mantidos juntos pela força forte, que é uma das quatro forças fundamentais no universo. Esta força específica é aproximadamente 10³⁸ vezes mais forte que a gravidade, age apenas dentro de uma distância de 10^-15 m, e supera a repulsão eletrostática entre as cargas positivas semelhantes dos prótons.
Podemos encontrar o raio de um núcleo espalhando elétrons nos núcleos e estudando o padrão. Embora possamos fazer um cálculo usando conservação de momento neste cenário, experimentos mostraram que a equação para o raio pode ser aproximada com a fórmula:

R = r₀ A^1/3

onde R é o raio nuclear, A é o número de núcleons e r₀ é uma constante (o raio de um núcleon ≈ 1,3 fm).