Från atom till atomkärna: hur liten är liten?

En atom består till största delen av tomrum runt ett litet centrum. För att tala om det centrumet behöver vi en ny enhet.

• En typisk atom är ungefär 10⁻¹⁰ m tvärs över. Det är 0,1 nanometer, eller en ångström.
• En atomkärna är ungefär mellan 10⁻¹⁵ m och 10⁻¹⁴ m tvärs över. Enheten för den här skalan är femtometer (fm): 1 fm = 10⁻¹⁵ m. En ensam proton är lite mindre än 2 fm tvärs över, och en stor kärna, till exempel bly, är ungefär 14 fm tvärs över.

Kärnan är alltså ungefär 10⁴ till 10⁵ gånger mindre än atomen. Uttryckt på ett annat sätt är förhållandet mellan kärnans storlek och atomens storlek ungefär 10⁻⁵. Om du blåste upp en atomkärna till storleken av en ärta (ungefär 1 cm), skulle dess atom vara mellan 100 m och 1 km tvärs över. Det motsvarar allt från en fotbollsplan till en liten stad, med en ärta i mitten.

Nästan all massa finns i kärnan. En proton och en neutron väger vardera ungefär 1,67 × 10⁻²⁷ kg. En elektron är ungefär 1 836 gånger lättare. Om man lägger ihop hela atomen står kärnan för mer än 99,9 procent av massan, trots att den bara fyller ungefär 10⁻¹⁵ av volymen (en miljondel av en miljarddel).

Det gör kärn materia extremt tät: ungefär 2 × 10¹⁷ kg per kubikmeter. En volym lika stor som en sockerbit (1 cm³) av det skulle väga omkring 200 miljoner ton. Du kommer aldrig att träffa på så mycket av det på jorden, men kärnan i varje atom består av det. (Neutronstjärnor är en storskalig version av samma materia.)

Hur vet vi det? År 1909 sköt Hans Geiger och Ernest Marsden, som arbetade i Ernest Rutherfords laboratorium, alfapartiklar (snabba, positivt laddade heliumkärnor) mot ett mycket tunt ark av guldfolie. Den vanliga bilden på den tiden, J. J. Thomsons "plumpuddingmodell", fördelade den positiva laddningen genom hela atomen, så varje alfapartikel borde ha farit rakt igenom med bara en liten knuff.

Det de såg var i stället:

• Nästan alla alfapartiklar passerade rakt igenom.
• En mycket liten andel böjdes av i stora vinklar, och några studsade nästan rakt tillbaka.

År 1911 räknade Rutherford ut vad det betydde: nästan all positiv laddning och massa måste finnas i en liten, tät kärna, medan resten av atomen är tom. Rutherford beskrev senare en kraftig tillbakastudsning som nästan lika otrolig som att skjuta en stor projektil mot silkespapper och få den att komma tillbaka mot dig. Han kallade kärnan för nukleus.