Du har kanskje allerede hørt om noe vi kaller et grunnstoff. Alle materialer vi har rundt oss i hverdagen, også vårt eget vev og skjelett, består av disse grunnstoffene, og det finnes overraskende få av dem.

Hva skiller ett grunnstoff fra et annet?
  Dette spørsmålet blir besvart grundigere når vi senere forklarer atomenes oppbygning i detalj. Grunnstoffer skiller seg fra hverandre på atomnivå; gull har andre egenskaper enn magnesium fordi de enkelte atomene i stoffene er litt forskjellig bygd opp. Denne forskjellen kan påvirke de fysiske egenskapene, som grunnstoffets utseende i ren form (gull er for eksempel et skinnende, hardt, gult stoff, mens magnesium er sølvfarget og mer bøyelig), og – viktigst av alt – de kjemiske egenskapene, altså hvordan de reagerer med andre stoffer (gull er svært lite reaktivt, mens magnesium lett reagerer med vann). Den ulike oppbygningen påvirker også hvordan de forbinder seg med andre grunnstoffer.
Det finnes et nyttig verktøy, det periodiske systemet, som ordner grunnstoffene etter deres atomære oppbygning og dermed etter egenskapene deres. Dette skal vi også se nærmere på senere.

Grunnstoffene som alt vi ser består av, kan ikke framstilles kunstig, men finnes i stedet naturlig. Hvor kommer så alt karbonet vi selv består av, fra? Alle de stabile grunnstoffene vi ser, er faktisk dannet langt utenfor Jorda, ute i verdensrommet. De lette grunnstoffene opp til jern dannes i en prosess som kalles nukleosyntese i stjernenes kjerner. Tyngre grunnstoffer dannes når stjernene dør i gigantiske eksplosjoner som kalles supernovaer. Begge disse prosessene blir forklart mye grundigere i et senere avsnitt. Dette gir deg kanskje en pekepinn om hvorfor det finnes mer karbon enn gull i universet, når du tenker på at bare de aller mest massive stjernene kan forbrenne tyngre grunnstoffer som gull og ende som supernovaer.

Man har hatt teorier om at atomer finnes helt siden de gamle grekernes tid, da filosofen Demokrit innså at han på et visst punkt ikke kunne skjære brødet sitt i mindre biter: det var udelelig. Han foreslo at alt måtte være bygd opp av noen grunnleggende byggesteiner som ikke kan ødelegges, og han oppkalte dem etter det greske ordet ‘atomos’, som betyr ‘udelelig’.
En mer moderne forestilling om atomer oppsto imidlertid først med kjemiens framskritt. John Dalton la merke til at 8 gram oksygen alltid forbandt seg med nøyaktig 1 gram hydrogen. Dette førte til teorien om at et bestemt antall bitte små enheter av ett grunnstoff må forbinde seg med et bestemt antall enheter av et annet, og at disse enhetene var forskjellige for hvert grunnstoff. Ut av dette vokste ideen om atomer fram. Mens kjemikerne hadde den grunnleggende ideen om atomer, var det fysikerne som oppdaget at det var mer ved atomet enn man først hadde trodd.

Oppdagelsen av atomkjernen
  Da atomer var blitt en akseptert forestilling om hvordan materialer er bygd opp i svært liten skala, begynte forskerne å lage teorier om hva som ga et atom dets egenskaper; hvorfor gullatomer oppførte seg annerledes enn magnesiumatomer. En av de mest utbredte teoriene var den såkalte ‘rosinbollemodellen’. I denne modellen var atomet et hav av positive ladninger med negative ladninger spredt innimellom, som opphevet hverandre slik at atomet var nøytralt.
  Det første beviset for at den virkelige strukturen var helt annerledes, kom i 1911 fra et eksperiment som Hans Geiger og Ernest Marsden utførte etter forslag fra Ernest Rutherford. I et nå berømt forsøk beskjøt de en tynn gullfolie (bare noen få atomer tykk) med det de kjente som alfapartikler: positivt ladde partikler som vi i dag vet er heliumkjerner. De fant at noen av partiklene spratt rett tilbake mot detektoren etter å ha truffet folien, i stedet for å gå rett gjennom eller bøyes litt av, slik man hadde ventet ut fra ‘rosinbollemodellen’.
  Dette fikk Rutherford til å konkludere med at atomene faktisk har et svært lite område med positiv ladning i midten, som fikk alfapartiklene som traff det rett på, til å sprette tilbake. Han innså også at en stor del av atomet måtte bestå av tomrom, siden de fleste partiklene gikk rett gjennom. De partiklene som ble bøyd litt av, måtte ha passert svært nær den positive ladningen i midten og blitt frastøtt av den like ladningen.
  Den endelige modellen hans besto av en liten kule med positiv ladning i atomets sentrum, som han kalte kjernen, og – for at atomet skulle være nøytralt – negative elektroner som gikk i bane rundt den, på samme måte som planetene i sine baner. Denne modellen var den aksepterte teorien inntil litt mer moderne kvantefysiske eksperimenter viste at den ikke var helt riktig.

Atomkjernen
  Som navnet antyder, er kjernefysikere opptatt av atomkjernenes oppførsel, så det er avgjørende for dem å forstå kjernens oppbygning. Elektronene var allerede oppdaget av J.J. Thomson, da han viste at katodestråler i virkeligheten besto av negativt ladde partikler, der det nøyaktige forholdet mellom ladning og masse senere ble målt i Millikans forsøk med ladde oljedråper. Mange år før Rutherfords eksperiment hadde man foreslått at alle atomer var bygd opp av hydrogenatomer, noe som nesten var riktig. I 1917 utførte Rutherford et eksperiment der han skjøt alfapartikler inn i ren nitrogengass. Detektorene hans viste signaler fra hydrogenkjerner, og han konkluderte med at de måtte ha blitt sendt ut fra nitrogenkjernene etter kollisjoner med alfapartiklene. Han sluttet at dette betydde at nitrogenkjernen inneholdt hydrogenkjerner, eller protoner. Dette regnes som den første registrerte kjernereaksjonen.
  På dette tidspunktet hadde forskerne utviklet begrepene massetall og atomnummer.
Massetallet er atomets faktiske masse (vi kan faktisk regne med at det er kjernens masse, siden elektronenes masse er neglisjerbar), og atomnummeret er antallet protoner, eller antallet elektroner i atomet. At nøytronet finnes, ble første gang foreslått av Rutherford i 1920 for å forklare avviket mellom kjernenes atomnummer og massetall. Det var imidlertid James Chadwick som i 1932 viste at stråling man tidligere hadde trodd var gammastråling, i virkeligheten besto av nøytrale partikler med en masse omtrent lik protonenes. Partiklene fikk navnet nøytroner og passet inn i kjerneteorien som den manglende massen.
  Fellesbetegnelsen for protoner og nøytroner, som begge befinner seg i kjernen, er nukleoner. Nukleonene holdes sammen av den sterke kjernekraften, som er en av universets fire fundamentale krefter. Denne kraften er omtrent 10³⁸ ganger sterkere enn tyngdekraften, virker bare innenfor en avstand på 10^-15 m og overvinner den elektrostatiske frastøtningen mellom protonenes like positive ladninger.
Vi kan finne radien til en atomkjerne ved å spre elektroner mot kjernene og studere spredningsmønsteret. Selv om man kan gjøre en beregning ut fra bevaring av bevegelsesmengde i denne situasjonen, har eksperimenter vist at radien tilnærmet kan beregnes med formelen:

R = r₀ A^1/3

der R er kjerneradien, A er antallet nukleoner og r₀ er en konstant (en nukleons radius ≈ 1,3 fm).