อะตอมคือหน่วยเล็กจิ๋วที่ประกอบเป็นทุกสิ่งรอบตัว

อะตอมเล็กมาก แต่แทบทุกอย่างที่จับต้องได้เกิดจากมัน

โต๊ะ แก้วน้ำ โทรศัพท์ อากาศในห้อง เลือดในร่างกาย ไปจนถึงดาวเคราะห์ ทั้งหมดประกอบขึ้นจากอะตอมในรูปแบบต่างๆ ถ้าจะนึกภาพง่ายๆ อะตอมคล้ายชิ้นส่วนพื้นฐานของสสาร เพียงแต่เล็กจนมองด้วยตาเปล่าไม่ได้ และต่อให้ใช้กล้องจุลทรรศน์ทั่วไปก็ยังเล็กเกินไปมาก

อะตอมไม่ได้เป็นลูกกลมตันๆ

ภาพในหนังสือเรียนที่มักวาดนิวเคลียสอยู่ตรงกลางแล้วมีอิเล็กตรอนวิ่งเป็นวงรอบๆ ช่วยให้เข้าใจโครงสร้างคร่าวๆ ได้ดี แต่ธรรมชาติจริงซับซ้อนกว่านั้น อิเล็กตรอนไม่ได้โคจรเป็นเส้นวงกลมเหมือนดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ ในกลศาสตร์ควอนตัมจะอธิบายตำแหน่งของอิเล็กตรอนด้วยบริเวณความน่าจะเป็นที่เรียกว่า ออร์บิทัล มากกว่า

ตรงกลางอะตอมมี นิวเคลียส ซึ่งเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดอะตอม แต่รวบรวมมวลเกือบทั้งหมดเอาไว้ ภายในนิวเคลียสมีโปรตอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวก และนิวตรอนซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้า ส่วนอิเล็กตรอนมีประจุลบและกระจายตัวอยู่รอบนิวเคลียส

จุดที่น่าสนใจคือ อะตอมส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง

ขนาดของอะตอมทั่วไปอยู่ราวระดับหนึ่งในสิบของนาโนเมตร หรือประมาณ 10-10 เมตร ขณะที่นิวเคลียสมีขนาดเล็กกว่านั้นหลายหมื่นเท่า ถ้าขยายอะตอมให้มีขนาดประมาณสนามกีฬา นิวเคลียสตรงกลางจะเล็กมากเมื่อเทียบกับพื้นที่ทั้งหมด ส่วนอิเล็กตรอนจะไม่ได้เป็นเม็ดเล็กๆ วิ่งอยู่ตามขอบแบบภาพการ์ตูน แต่ต้องอธิบายด้วยฟิสิกส์ควอนตัม

แล้วทำไมอะตอมแต่ละชนิดถึงไม่เหมือนกัน

สิ่งที่ใช้กำหนดว่าอะตอมนั้นเป็นธาตุอะไร คือ จำนวนโปรตอน ในแกนกลาง ไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 ตัว ฮีเลียมมี 2 ตัว คาร์บอนมี 6 ตัว ออกซิเจนมี 8 ตัว ส่วนทองคำมี 79 ตัว จำนวนนี้เรียกว่าเลขอะตอม และเป็นเหมือนหมายเลขประจำตัวของธาตุ

ถ้าจำนวนโปรตอนเปลี่ยน ธาตุก็เปลี่ยนทันที แต่ถ้าจำนวนโปรตอนเท่าเดิมแล้วจำนวนนิวตรอนต่างกัน จะกลายเป็น ไอโซโทป ของธาตุเดียวกัน เช่น คาร์บอนมีหลายไอโซโทป หนึ่งในนั้นคือคาร์บอน-14 ที่นำไปใช้ในการหาอายุวัตถุอินทรีย์ทางโบราณคดีได้

อะตอมจับมือกันจนกลายเป็นโลกที่มองเห็น

อะตอมจำนวนมากสามารถสร้างพันธะทางเคมีร่วมกันแล้วกลายเป็นโมเลกุล ตัวอย่างใกล้ตัวที่สุดคือน้ำ โมเลกุลน้ำหนึ่งโมเลกุลประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 อะตอมและออกซิเจน 1 อะตอม จึงเขียนสูตรว่า H2O

พอลักษณะการจับตัวเปลี่ยน คุณสมบัติของสารก็เปลี่ยนตามไปด้วย คาร์บอนเป็นตัวอย่างชัดมาก เพชรและกราไฟต์ในไส้ดินสอต่างมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักเหมือนกัน แต่โครงสร้างการจัดเรียงอะตอมต่างกันมาก จึงทำให้เพชรแข็งมาก ขณะที่กราไฟต์นิ่มและหลุดออกมาเป็นรอยบนกระดาษได้ง่าย

• โปรตอน กำหนดว่าธาตุนั้นคืออะไร

• นิวตรอน ทำให้เกิดไอโซโทปต่างๆ และมีผลต่อเสถียรภาพของนิวเคลียส

• อิเล็กตรอน มีบทบาทสำคัญต่อพันธะเคมี การนำไฟฟ้า และปฏิกิริยาเคมี

อีกเรื่องที่ชวนงงครั้งแรกคือ คำว่าอะตอมมาจากแนวคิดโบราณที่หมายถึงสิ่งที่แบ่งต่อไม่ได้ แต่ปัจจุบันรู้แล้วว่าอะตอมยังแบ่งย่อยได้อีก โปรตอนและนิวตรอนเองก็ไม่ได้เป็นอนุภาคพื้นฐานที่สุด เพราะภายในประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่า ควาร์ก ซึ่งยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม

อิเล็กตรอนต่างออกไป เพราะตามความรู้ฟิสิกส์อนุภาคมาตรฐานในปัจจุบัน อิเล็กตรอนถือเป็นอนุภาคพื้นฐานชนิดหนึ่ง ยังไม่พบว่ามีโครงสร้างย่อยภายใน

แล้วทำไมถึงเดินชนกำแพงทั้งที่อะตอมส่วนใหญ่เป็นที่ว่าง?

เพราะคำว่า “ว่าง” ในระดับอะตอมไม่ได้แปลว่าวัตถุสามารถทะลุผ่านกันได้ง่าย อิเล็กตรอนของอะตอมในมือและอะตอมในกำแพงมีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าต่อกัน อีกทั้งยังอยู่ภายใต้กฎควอนตัมต่างๆ ทำให้อะตอมไม่สามารถซ้อนทับกันตามใจได้ ความรู้สึกว่าโต๊ะแข็งหรือพื้นรับน้ำหนักได้ จึงเกิดจากแรงปฏิสัมพันธ์ระดับจิ๋วที่รวมกันมหาศาล

แม้อะตอมหนึ่งอะตอมจะเล็กจนแทบนึกภาพไม่ออก แต่เมื่ออะตอมจำนวนมหาศาลรวมตัวกัน มันสร้างตั้งแต่เม็ดฝุ่น เซลล์สมอง ต้นไม้ มหาสมุทร ไปจนถึงดาวฤกษ์ ความแตกต่างของสิ่งของรอบตัวจึงไม่ได้เกิดเพราะมีวัตถุดิบพื้นฐานนับไม่ถ้วน แต่เกิดจากชนิดของอะตอม จำนวนอะตอม และวิธีที่อะตอมเหล่านั้นจัดเรียงและเชื่อมโยงกัน