Fra atom til kjerne: Hvor liten er liten?

Et atom består for det meste av tomrom rundt et lite sentrum. For å snakke om dette sentrumet trenger vi en ny enhet.

• Et typisk atom er omtrent 10⁻¹⁰ m på tvers. Det er 0,1 nanometer, eller ett ångström.
• En kjerne er omtrent mellom 10⁻¹⁵ m og 10⁻¹⁴ m på tvers. Enheten for denne skalaen er femtometer (fm): 1 fm = 10⁻¹⁵ m. Ett enkelt proton er litt under 2 fm på tvers, og en stor kjerne, som for eksempel bly, er omtrent 14 fm på tvers.

Kjernen er altså mindre enn atomet med en faktor på omtrent 10⁴ til 10⁵. Sagt på en annen måte er forholdstallet mellom kjernens størrelse og atomets størrelse omtrent 10⁻⁵. Hvis du blåste opp en kjerne til størrelsen på en ert (omtrent 1 cm), ville atomet vært mellom 100 m og 1 km på tvers. Det tilsvarer alt fra en fotballbane til en liten by, med en ert i midten.

Nesten all massen er i kjernen. Et proton og et nøytron veier omtrent 1,67 × 10⁻²⁷ kg hver. Et elektron er omtrent 1 836 ganger lettere. Hvis vi legger sammen massen til et atom, finner vi at kjernen inneholder mer enn 99,9 prosent av massen, selv om den bare fyller omtrent 10⁻¹⁵ av volumet (en milliondel av en milliarddel).

Det gjør kjernestoff ekstremt tett: omtrent 2 × 10¹⁷ kg per kubikkmeter. Et volum av dette på størrelse med en sukkerbit (1 cm³) ville veid rundt 200 millioner tonn. Du vil aldri møte så mye av dette på jorda, men kjernen i hvert atom består av det. (Nøytronstjerner er en storskala versjon av dette stoffet.)

Hvordan vet vi det? I 1909 sendte Hans Geiger og Ernest Marsden, som arbeidet i Ernest Rutherfords laboratorium, alfapartikler (raske, positivt ladde heliumkjerner) mot et svært tynt ark med gullfolie. Det populære bildet på den tiden, J. J. Thomsons «plommepudding», fordelte den positive ladningen gjennom hele atomet. Derfor skulle alle alfapartiklene ha sust rett gjennom med bare et lite dytt.

Dette var det de så:

• Nesten alle alfapartiklene gikk rett gjennom.
• En svært liten brøkdel ble bøyd av gjennom store vinkler, og noen få kom nesten rett tilbake.

I 1911 fant Rutherford ut hva dette betydde: Nesten all den positive ladningen og massen måtte være samlet i en liten, tett kjerne, mens resten av atomet var tomt. Rutherford beskrev senere en kraftig tilbakesprett som nesten like utrolig som å skyte en stor granat mot silkepapir og få den tilbake mot seg. Han kalte kjernen atomkjernen.