Du har kanske redan hört talas om något som vi kallar ett grundämne. Alla material vi har omkring oss i vardagen, även våra egna vävnader och skelett, består av dessa grundämnen, och det finns förvånansvärt få av dem.

Vad skiljer ett grundämne från ett annat?
  Den frågan kommer att besvaras mer utförligt när vi senare förklarar atomernas uppbyggnad i detalj. Grundämnen skiljer sig åt på atomnivå; guld har andra egenskaper än magnesium eftersom materialens enskilda atomer är något olika uppbyggda. Denna skillnad kan påverka de fysikaliska egenskaperna, till exempel grundämnets utseende i ren form (guld är till exempel ett glänsande, hårt, gult ämne, medan magnesium är silverfärgat och mer böjligt), och – viktigast av allt – de kemiska egenskaperna, alltså hur de reagerar med andra ämnen (guld är extremt reaktionströgt, medan magnesium lätt reagerar med vatten). Deras olika uppbyggnad påverkar också hur de förenar sig med andra grundämnen.
Det finns ett användbart verktyg, det periodiska systemet, som ordnar grundämnena efter deras atomära uppbyggnad och därmed efter deras egenskaper. Det kommer vi också att titta närmare på senare.

De grundämnen som allt vi ser består av kan inte framställas på konstgjord väg, utan finns i stället naturligt. Var kommer då allt kol som vi själva består av ifrån? Alla stabila grundämnen vi ser har faktiskt bildats långt bortom jorden, ute i rymden. De lätta grundämnena upp till järn bildas i en process som kallas nukleosyntes i stjärnornas kärnor. Tyngre grundämnen bildas när stjärnorna dör i gigantiska explosioner som kallas supernovor. Båda dessa processer kommer att förklaras mycket mer ingående i ett senare avsnitt. Det kanske ger dig en ledtråd till varför det finns mer kol än guld i universum, om du tänker på att bara de allra mest massiva stjärnorna kan förbränna tyngre grundämnen som guld och sluta som supernovor.

Man har haft teorier om att atomer finns ända sedan de gamla grekernas tid, då filosofen Demokritos insåg att han vid en viss punkt inte kunde skära sitt bröd i mindre bitar: det var odelbart. Han föreslog att allting måste vara uppbyggt av några grundläggande byggstenar som inte kan förstöras, och han gav dem namn efter det grekiska ordet ‘atomos’, som betyder ‘odelbar’.
En mer modern föreställning om atomer uppstod dock först med kemins framsteg. John Dalton märkte att 8 gram syre alltid förenade sig med exakt 1 gram väte. Det ledde till teorin att ett visst antal pyttesmå enheter av ett grundämne måste förena sig med ett visst antal enheter av ett annat, och att dessa enheter var olika för varje grundämne. Ur detta växte idén om atomer fram. Medan kemisterna hade den grundläggande idén om atomer var det fysikerna som upptäckte att atomen innehöll mer än man först hade trott.

Upptäckten av atomkärnan
  När atomer hade blivit en accepterad föreställning om materiens uppbyggnad i mycket liten skala började forskarna fundera över vad som gav en atom dess egenskaper; varför guldatomer betedde sig annorlunda än magnesiumatomer. En av de mest spridda teorierna var den så kallade ‘russinbullemodellen’. I den modellen var atomen ett hav av positiva laddningar med negativa laddningar utspridda däremellan, som tog ut varandra så att atomen blev neutral.
  Det första beviset för att den verkliga strukturen var helt annorlunda kom 1911 från ett experiment som Hans Geiger och Ernest Marsden utförde på förslag av Ernest Rutherford. I ett numera berömt försök besköt de en tunn guldfolie (bara några få atomer tjock) med det som de kände till som alfapartiklar: positivt laddade partiklar som vi i dag vet är heliumkärnor. De fann att några av partiklarna studsade rakt tillbaka mot detektorn efter att ha träffat folien, i stället för att passera rakt igenom eller avböjas en aning, som man hade väntat sig enligt ‘russinbullemodellen’.
  Detta fick Rutherford att dra slutsatsen att atomerna faktiskt har ett mycket litet område med positiv laddning i mitten, som fick de alfapartiklar som träffade det rakt på att studsa tillbaka. Han insåg också att en stor del av atomen måste bestå av tomrum, eftersom de flesta partiklarna passerade rakt igenom. De partiklar som avböjdes en aning måste ha passerat mycket nära den positiva laddningen i mitten och stötts bort av den likadana laddningen.
  Hans slutliga modell bestod av en liten kula av positiv laddning i atomens centrum, som han kallade kärnan, och – för att atomen skulle vara neutral – negativa elektroner som kretsade runt den på ungefär samma sätt som planeter i sina banor. Denna modell var den accepterade teorin tills något modernare kvantfysikaliska experiment visade att den inte var helt korrekt.

Atomkärnan
  Som namnet antyder ägnar sig kärnfysiker åt atomkärnornas beteende, så det är avgörande för dem att förstå kärnans uppbyggnad. Elektronerna hade redan upptäckts av J.J. Thomson när han visade att katodstrålar i själva verket bestod av negativt laddade partiklar, vars exakta förhållande mellan laddning och massa senare mättes i Millikans experiment med laddade oljedroppar. Många år före Rutherfords experiment hade man föreslagit att alla atomer var uppbyggda av väteatomer, vilket nästan var korrekt. År 1917 utförde Rutherford ett experiment där han sköt in alfapartiklar i ren kvävgas. Hans detektorer visade signaler från vätekärnor, och han drog slutsatsen att de måste ha sänts ut från kvävekärnorna efter kollisioner med alfapartiklarna. Han kom fram till att detta innebar att kvävekärnan innehöll vätekärnor, eller protoner. Detta räknas som den första registrerade kärnreaktionen.
  Vid den här tiden hade forskarna utvecklat begreppen masstal och atomnummer.
Masstalet är atomens faktiska massa (vi kan faktiskt räkna med att det är kärnans massa, eftersom elektronernas massa är försumbar), och atomnumret är antalet protoner, eller antalet elektroner i atomen. Att neutronen finns föreslogs första gången av Rutherford 1920 för att förklara skillnaden mellan kärnornas atomnummer och masstal. Det var dock James Chadwick som 1932 visade att strålning som man tidigare trott var gammastrålning i själva verket bestod av neutrala partiklar med en massa som ungefär motsvarade protonernas. Partiklarna fick namnet neutroner och passade in i kärnteorin som den saknade massan.
  Samlingsnamnet för protoner och neutroner, som båda finns i kärnan, är nukleoner. Nukleonerna hålls samman av den starka kärnkraften, som är en av universums fyra fundamentala krafter. Denna kraft är ungefär 10³⁸ gånger starkare än gravitationen, verkar bara inom ett avstånd på 10^-15 m och övervinner den elektrostatiska repulsionen mellan protonernas likadana positiva laddningar.
Vi kan bestämma en atomkärnas radie genom att sprida elektroner mot kärnorna och studera spridningsmönstret. Även om man kan göra en beräkning med hjälp av rörelsemängdens bevarande i den här situationen, har experiment visat att radien approximativt kan beräknas med formeln:

R = r₀ A^1/3

där R är kärnans radie, A är antalet nukleoner och r₀ är en konstant (en nukleons radie ≈ 1,3 fm).