จากอะตอมสู่นิวเคลียส: สิ่งที่เล็กนั้นเล็กแค่ไหน?

อะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่างรอบจุดศูนย์กลางขนาดจิ๋ว หากเราจะพูดถึงจุดศูนย์กลางนั้น เราต้องใช้หน่วยใหม่

• อะตอม ทั่วไปมีขนาดกว้างประมาณ 10⁻¹⁰ m หรือ 0.1 นาโนเมตร หรือหนึ่งอังสตรอม
• นิวเคลียส มีขนาดกว้างประมาณระหว่าง 10⁻¹⁵ m และ 10⁻¹⁴ m หน่วยสำหรับสเกลนี้คือ เฟมโตเมตร (fm): 1 fm = 10⁻¹⁵ m โปรตอนหนึ่งตัวมีขนาดกว้างน้อยกว่า 2 fm เล็กน้อย ส่วนนิวเคลียสขนาดใหญ่ เช่น ตะกั่ว มีขนาดกว้างประมาณ 14 fm

ดังนั้น นิวเคลียสจึงเล็กกว่าอะตอมประมาณ 10⁴ ถึง 10⁵ เท่า หรือมองกลับกัน อัตราส่วนของขนาดนิวเคลียสต่อขนาดอะตอมอยู่ที่ประมาณ 10⁻⁵ หากขยายขนาดนิวเคลียสให้เท่ากับเมล็ดถั่ว (ประมาณ 1 cm) อะตอมของมันจะมีขนาดกว้างระหว่าง 100 m ถึง 1 km นั่นมีขนาดตั้งแต่สนามฟุตบอลไปจนถึงเมืองเล็ก ๆ โดยมีเมล็ดถั่วอยู่ตรงกลาง

มวลเกือบทั้งหมดอยู่ในนิวเคลียส โปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัวมีมวลประมาณ 1.67 × 10⁻²⁷ kg ส่วนอิเล็กตรอนมีมวลน้อยกว่าประมาณ 1,836 เท่า เมื่อรวมทั้งอะตอมแล้ว นิวเคลียสมีมวลมากกว่า 99.9 เปอร์เซ็นต์ ของมวลทั้งหมด แม้ว่าจะมีปริมาตรเพียงประมาณ 10⁻¹⁵ ของอะตอม (หนึ่งในล้านของหนึ่งในพันล้าน)

นั่นทำให้สสารนิวเคลียร์มี ความหนาแน่น สูงมาก คือประมาณ 2 × 10¹⁷ kg ต่อลูกบาศก์เมตร สสารนี้ในปริมาตรเท่าลูกบาศก์น้ำตาล (1 cm³) จะมีน้ำหนักราว ๆ 200 ล้านตัน คุณจะไม่มีวันพบสสารแบบนี้เป็นจำนวนมากบนโลก แต่ภายในอะตอมทุกอะตอมมีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยสสารชนิดนี้ (ดาวนิวตรอนคือสสารชนิดนี้ในขนาดใหญ่)

เรารู้ได้อย่างไร ในปี 1909 Hans Geiger และ Ernest Marsden ซึ่งทำงานอยู่ในห้องทดลองของ Ernest Rutherford ได้ยิง อนุภาคแอลฟา (นิวเคลียสฮีเลียมที่เคลื่อนที่เร็วและมีประจุบวก) ไปที่ แผ่นฟอยล์ทองคำ ที่บางมาก ในเวลานั้น ภาพอะตอมที่คนส่วนใหญ่นึกถึงคือ "พุดดิ้งลูกเกด" ของ J. J. Thomson ซึ่งมองว่าประจุบวกกระจายอยู่ทั่วทั้งอะตอม ดังนั้นอนุภาคแอลฟาทุกตัวก็น่าจะพุ่งทะลุไปได้ โดยเบนเพียงเล็กน้อย

แต่สิ่งที่พวกเขาพบคือ:

• เกือบทั้งหมด ของอนุภาคแอลฟาพุ่งตรงทะลุผ่านไป
• มีเพียง ส่วนน้อยมาก ที่เบนเป็นมุมกว้าง และมีอยู่ไม่กี่ตัวที่เด้งกลับมาเกือบตรง ๆ

ในปี 1911 Rutherford อธิบายได้ว่าสิ่งนี้หมายความว่า ประจุบวกและมวลเกือบทั้งหมดต้องรวมอยู่ใน แกนกลางขนาดเล็กที่หนาแน่น โดยส่วนที่เหลือของอะตอมเป็นพื้นที่ว่าง ต่อมา Rutherford บรรยายการเด้งกลับในมุมกว้างว่าไม่น่าเชื่อพอ ๆ กับการยิงกระสุนปืนใหญ่ใส่กระดาษทิชชูแล้วกระสุนเด้งกลับมาหาคุณ เขาเรียกแกนกลางนี้ว่า นิวเคลียส