Fra atom til kerne: Hvor lille er lille?

Et atom er for det meste tomt rum omkring et lille centrum. For at tale om dette centrum har vi brug for en ny enhed.

• Et typisk atom er omkring 10⁻¹⁰ m på tværs. Det er 0.1 nanometer eller én ångström.
• En kerne er omkring 10⁻¹⁵ m til 10⁻¹⁴ m på tværs. Enheden for denne skala er femtometeret (fm): 1 fm = 10⁻¹⁵ m. En enkelt proton er lidt under 2 fm på tværs, og en stor kerne som bly er cirka 14 fm på tværs.

Kernen er altså mindre end atomet med en faktor på cirka 10⁴ til 10⁵. Sagt på en anden måde er forholdet mellem kernens størrelse og atomets størrelse cirka 10⁻⁵. Hvis du pustede en kerne op til størrelsen af en ært (omkring 1 cm), ville dens atom være mellem 100 m og 1 km på tværs. Det svarer til alt fra en fodboldbane til en lille by, med en ært i midten.

Næsten al massen er i kernen. En proton og en neutron vejer hver omkring 1,67 × 10⁻²⁷ kg. En elektron er omkring 1.836 gange lettere. Hvis man lægger et atom sammen, indeholder kernen mere end 99,9 procent af massen, selv om den kun fylder omkring 10⁻¹⁵ af volumenet (en milliontedel af en milliardtedel).

Det gør nukleart stof ekstremt tæt: cirka 2 × 10¹⁷ kg pr. kubikmeter. En volumen på størrelse med en sukkerterning (1 cm³) af det ville veje omkring 200 millioner ton. Du kommer aldrig til at møde sådan noget i store mængder på Jorden, men kernen i hvert atom består af det. (Neutronstjerner er den store version af dette stof.)

Hvordan ved vi det? I 1909 sendte Hans Geiger og Ernest Marsden, som arbejdede i Ernest Rutherfords laboratorium, alfapartikler (hurtige, positivt ladede heliumkerner) mod et meget tyndt stykke guldfolie. Det gængse billede på det tidspunkt, J. J. Thomsons "blommepudding", fordelte den positive ladning i hele atomet, så alle alfapartikler burde være fløjet lige igennem med kun et lille skub.

Men de så noget andet:

• Næsten alle alfapartiklerne fløj lige igennem.
• En meget lille brøkdel blev afbøjet gennem store vinkler, og nogle få kom næsten lige tilbage.

I 1911 fandt Rutherford ud af, hvad det betød: næsten al den positive ladning og masse måtte være samlet i en lille, tæt kerne, mens resten af atomet var tomt. Rutherford beskrev senere et stort tilbageslag som næsten lige så utroligt som at skyde en stor granat mod silkepapir og få den tilbage mod sig. Han kaldte kernen for kernen.