Du har måske allerede hørt om noget, vi kalder et grundstof. Alle de materialer, vi har omkring os i hverdagen, også vores eget væv og vores knogler, består af disse grundstoffer, og der findes overraskende få af dem.

Hvad gør et grundstof forskelligt fra et andet?
  Det spørgsmål vil blive besvaret mere fyldestgørende, når vi senere forklarer atomernes opbygning i detaljer. Grundstoffer adskiller sig fra hinanden på atomart niveau; guld har andre egenskaber end magnesium, fordi materialernes enkelte atomer er en smule forskelligt opbygget. Denne forskel kan påvirke de fysiske egenskaber, som for eksempel grundstoffets udseende i ren form (guld er for eksempel et skinnende, hårdt, gult stof, mens magnesium er sølvfarvet og mere bøjeligt), og – vigtigst af alt – de kemiske egenskaber, altså hvordan de reagerer med andre stoffer (guld er yderst lidt reaktivt, mens magnesium let reagerer med vand). Deres forskellige opbygning påvirker også, hvordan de forbinder sig med andre grundstoffer.
Der findes et nyttigt redskab, det periodiske system, som ordner grundstofferne efter deres atomare opbygning og dermed efter deres egenskaber. Det vil vi også se nærmere på senere.

De grundstoffer, som alt det, vi ser, består af, kan ikke fremstilles kunstigt, men findes derimod naturligt. Hvor kommer alt det kulstof, vi selv består af, så fra? Alle de stabile grundstoffer, vi ser, er faktisk opstået langt uden for Jorden, ude i rummet. De lette grundstoffer op til jern dannes i en proces kaldet nukleosyntese inde i stjernernes kerner. Tungere grundstoffer dannes, når stjernerne dør i gigantiske eksplosioner kaldet supernovaer. Begge processer vil blive forklaret meget mere detaljeret i et senere afsnit. Det giver dig måske et fingerpeg om, hvorfor der er mere kulstof end guld i universet, når du tænker på, at kun de allermest massive stjerner kan forbrænde tungere grundstoffer som guld og ende som supernovaer.

Man har haft teorier om atomernes eksistens helt tilbage fra de gamle grækeres tid, hvor filosoffen Demokrit indså, at han på et vist tidspunkt ikke kunne skære sit brød i mindre stykker: det var udeleligt. Han foreslog, at alt må være opbygget af nogle grundlæggende byggesten, som ikke kan ødelægges, og han opkaldte dem efter det græske ord ‘atomos’, som betyder ‘udelelig’.
En mere moderne forestilling om atomer opstod dog først med kemiens fremskridt. John Dalton bemærkede, at 8 gram ilt altid forbandt sig med præcis 1 gram brint. Det førte til teorien om, at et bestemt antal bittesmå enheder af ét grundstof må forbinde sig med et bestemt antal enheder af et andet, og at disse enheder var forskellige for hvert grundstof. Ud af det udviklede sig idéen om atomer. Mens kemikerne havde den grundlæggende idé om atomer, var det fysikerne, der opdagede, at der var mere ved atomet, end man først havde troet.

Opdagelsen af atomkernen
  Da atomer var blevet en accepteret forestilling om materialers opbygning på meget lille skala, begyndte forskerne at opstille teorier om, hvad der gav et atom dets egenskaber; hvorfor guldatomer opførte sig anderledes end magnesiumatomer. En af de mest udbredte teorier var den såkaldte ‘rosinbollemodel’. I denne model var atomet et hav af positive ladninger med negative ladninger spredt imellem, som udlignede hinanden, så atomet var neutralt.
  Det første bevis på, at den virkelige struktur var helt anderledes, kom i 1911 fra et eksperiment, som Hans Geiger og Ernest Marsden udførte efter forslag fra Ernest Rutherford. De beskød i et nu berømt forsøg et tyndt stykke guldfolie (kun få atomer tykt) med det, de kendte som alfapartikler: positivt ladede partikler, som vi i dag ved er heliumkerner. De opdagede, at nogle af partiklerne blev kastet direkte tilbage mod detektoren efter at have ramt folien, i stedet for at passere lige igennem eller blive afbøjet en smule, som man havde forventet ud fra ‘rosinbollemodellen’.
  Det fik Rutherford til at konkludere, at atomerne faktisk har et meget lille område med positiv ladning i midten, som fik de alfapartikler, der ramte det direkte, til at blive kastet tilbage. Han indså også, at en stor del af atomet måtte bestå af tomt rum, siden de fleste partikler passerede lige igennem. De partikler, der blev afbøjet en smule, måtte være passeret meget tæt forbi den positive ladning i midten og var blevet frastødt af den ensartede ladning.
  Hans endelige model bestod af en lille kugle af positiv ladning i atomets centrum, som han kaldte kernen, og – for at atomet skulle være neutralt – negative elektroner, der kredsede om den på samme måde som planeter i deres baner. Denne model var den accepterede teori, indtil lidt mere moderne kvantefysiske eksperimenter viste, at den ikke var helt korrekt.

Atomkernen
  Som navnet antyder, beskæftiger kernefysikere sig med atomkernernes opførsel, så det er afgørende for dem at forstå kernens opbygning. Elektronerne var allerede blevet opdaget af J.J. Thomson, da han viste, at katodestråler i virkeligheden bestod af negativt ladede partikler, hvis nøjagtige forhold mellem ladning og masse senere blev målt i Millikans forsøg med ladede oliedråber. Mange år før Rutherfords eksperiment var det blevet foreslået, at alle atomer var opbygget af brintatomer, hvilket næsten var korrekt. I 1917 udførte Rutherford et eksperiment, hvor han skød alfapartikler ind i ren kvælstofgas. Hans detektorer viste signaler fra brintkerner, og han konkluderede, at de måtte være blevet udsendt fra kvælstofkernerne efter sammenstød med alfapartiklerne. Han sluttede heraf, at kvælstofkernen indeholdt brintkerner, eller protoner. Dette regnes for den første registrerede kernereaktion.
  På dette tidspunkt havde forskerne udviklet begreberne massetal og atomnummer.
Massetallet er atomets faktiske masse (vi kan faktisk regne med, at det er kernens masse, da elektronernes masse er forsvindende lille), og atomnummeret er antallet af protoner, eller antallet af elektroner i atomet. Neutronens eksistens blev første gang foreslået af Rutherford i 1920 for at forklare uoverensstemmelsen mellem kernernes atomnumre og massetal. Det var dog James Chadwick, der i 1932 viste, at stråling, som man tidligere havde troet var gammastråler, i virkeligheden bestod af neutrale partikler med en masse omtrent lig med protonernes. Partiklerne fik navnet neutroner og passede ind i kerneteorien som den manglende masse.
  Fællesbetegnelsen for protoner og neutroner, som begge befinder sig i kernen, er nukleoner. Nukleonerne holdes sammen af den stærke kernekraft, som er en af universets fire fundamentale kræfter. Denne kraft er omtrent 10³⁸ gange stærkere end tyngdekraften, virker kun inden for en afstand af 10^-15 m og overvinder den elektrostatiske frastødning mellem protonernes ens positive ladninger.
Vi kan bestemme en atomkernes radius ved at sprede elektroner på kernerne og studere spredningsmønstret. Selvom man kan lave en beregning ud fra bevarelsen af impuls i denne situation, har eksperimenter vist, at radius tilnærmelsesvis kan beregnes med formlen:

R = r₀ A^1/3

hvor R er kernens radius, A er antallet af nukleoner, og r₀ er en konstant (en nukleons radius ≈ 1,3 fm).