นักวิทยาศาสตร์พิศวงอยู่เป็นนานกับขนาดที่เล็กมากของอะตอม หลังจากนั้นปัญหาก็กลับตาลปัตรจนสุดขั้วจากการค้นพบนิวเคลียสสุดเล็กจิ๋ว ถ้าขยายนิวเคลียสให้โตขนาดลูกหินที่เด็กเล่น อะตอมทั้งใบก็จะโตขนาดลูกบอลลูนยักษ์ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางโตกว่า 300 ฟุต! นี่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ยากจะหาคำอธิบายว่าทำไมอะตอมจึงโตนัก พูดได้ว่าขณะนั้นสถาปัตยกรรมของอะตอมยังคงเป็นปริศนาอยู่

ผลงานของรัทเทอร์ฟอร์ดเมื่อปี ค.ศ. 1911 อย่างน้อยก็ขุดพบ “หน่วยการสร้าง” (building block) สำคัญของอะตอม คือ นิวเคลียสที่มีประจุบวก ในสถานการณ์เช่นนี้นักวิทยาศาสตร์จึงมีมูลภัณฑ์หรือสต็อก (stock) ของอนุภาคเชิงอะตอมเก็บไว้เป็นพัสดุคงคลังของพวกเขาที่พร้อมจะนำมาใช้เป็นหน่วยการสร้างของอะตอม แนวคิดถัดจากนี้ไปนำไปสู่การค้นหาอนุภาคที่มีประจุ

แน่ละว่าตอนนี้มีอิเล็กตรอนซึ่งค้นพบกันมาก่อนแล้วจากภายในหลอดอิเล็กตรอน และใน ปี ค.ศ. 1911 นี้ อิเล็กตรอนก็ถูกใส่ไว้ในบัญชีมูลภัณฑ์อนุภาคหนึ่งของอะตอมโดยเป็นอนุภาคที่รู้จักเป็นอย่างดีมาก่อนแล้ว ว่ามีประจุไฟฟ้าลบขนาด 1 หน่วย และมีน้ำหนักน้อยกว่าน้ำหนักเชิงอะตอมของอะตอมไฮโดรเจนที่มีน้ำหนักมาตรฐาน 1 หน่วยมวลอะตอม ถึงเกือบ 2,000 เท่าตัว

จากการตรวจดูบัญชีมูลภัณฑ์โดยละเอียด นักวิทยาศาสตร์สนใจเป็นพิเศษที่อนุภาคประจุบวก ทั้งนี้ก็เพราะว่านิวเคลียสเองก็มีประจุบวกเช่นกัน แล้วพวกเขาก็พบอยู่อนุภาคหนึ่ง อนุภาคนี้อยู่ในแฟ้มข้อมูลชื่อว่า “อะตอมไฮโดรเจนที่ถูกทำให้เกิดประจุ” มันอยู่ในแฟ้มมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1886 ตั้งแต่ที่มันถูกค้นพบจากในหลอดอิเล็กตรอน

ข้างในหลอดอิเล็กตรอนที่ว่างเปล่าอย่างสมบูรณ์จะมีอนุภาคก็แต่เพียงอิเล็กตรอน แต่ถ้าเติมแก๊สไฮโดรเจนไว้ในหลอดสักเล็กน้อย ก็จะสังเกตพบอนุภาคที่มีประจุบวกได้ เนื่องจากพวกมันมีประจุตรงกันข้ามกับอิเล็กตรอน จึงเคลื่อนที่ทิศทางตรงกันข้ามกับอิเล็กตรอน โดยถูกดูดไปที่ขั้วไฟฟ้าลบเพราะพวกมันมีประจุบวก ทำนองเดียวกับอิเล็กตรอนที่ถูกดูดไปที่ขั้วไฟฟ้าบวก การศึกษาว่ามันเป็นประจุบวกทำได้โดยให้พวกมันเคลื่อนที่ผ่านเข้าในในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า แบบเดียวกันกับที่ใช้ศึกษาอิเล็กตรอนและรังสีเรเดียม ซึ่งก็พบว่าพวกมันแต่ละอนุภาคหนักเท่า ๆ กับแต่ละอะตอมของไฮโดรเจน และมีประจุไฟฟ้าบวกขนาด 1 หน่วย น้ำหนักของพวกมันไม่น่าประหลาดใจเพราะหนักเท่า ๆ กับไฮโดรเจนที่เติมเข้าไปในหลอดตั้งแต่แรกแล้ว อย่างไรก็ดี เพราะว่าพวกมันมีประจุไฟฟ้า จึงถูกแยกไว้ในแฟ้มภายใต้ชื่อนี้

ในระหว่างที่วิทยาศาสตร์กำลังให้ความสนใจกับยูเรเนียมและเรเดียม ระหว่างนั้นอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุบวกจึงถูกวางกองเอาไว้ด้านข้าง ครั้นเมื่อมีการค้นพบนิวเคลียสของอะตอม พวกนักวิทยาศาสตร์ก็เริ่มหันกลับมามองอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุเป็นครั้งที่สอง พวกเขาคิดหาเหตุผลว่า หากเติมอิเล็กตรอนที่มีประจุลบสักอนุภาคหนึ่งเข้าไปไว้ใน “อะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุ” นี้ ประจุไฟฟ้าก็จะหักล้างกันกลายเป็นอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุเป็นกลางเช่นเดียวกับที่เราพบอยู่ตามธรรมชาติทุกประการ โดยที่การเติมอิเล็กตรอนที่เบาโหวงเข้าไปนี้แทบไม่ได้ทำให้น้ำหนักของ“อะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุ” เปลี่ยนแปลงไป จึงเป็นไปได้หรือไม่ว่า อนุภาคที่เรียกว่า “อะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุ” นี้ คงไม่ใช่สิ่งอื่นใดนอกเหนือไปจากนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน?

แล้วก็ใช่จริง ๆ เสียด้วย เพราะอันที่จริงอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุก็คืออนุภาคประจุบวกชนิดพื้นฐานที่สุดที่มีอยู่จริง โดยมีประจุไฟฟ้าขนาด 1 หน่วย และมีนำหนักเชิงอะตอม 1 หน่วย ความรู้ใหม่นี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้สึกกันว่า “อะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุ” น่าจะมีชื่อใหม่และชื่อที่ดีกว่าซึ่งเหมาะสมกับความสำคัญที่ค้นพบใหม่นี้ โดยเรียกว่า “โปรตอน” ซึ่งหมายถึง “อนุภาคปฐมภูมิ” หลังจากเวลานานหลายปีที่ละเลย นักวิทยาศาสตร์ชดใช้หนี้ด้วยชื่ออันยกยอปอปั้นนี้

โปรตอนได้รับบทบาทให้เป็นนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนอันเป็นอะตอมสามัญที่สุดในธรรมชาติ มันเป็นหนึ่งในหน่วยการสร้างของอะตอมนี้ อิเล็กตรอนคงต้องเป็นอีกหน่วยหนึ่ง เพราะว่าตอนนั้นก็มีแต่อิเล็กตรอนที่สามารถหักล้างประจุของโปรตอนได้โดยไม่ทำให้น้ำหนักของมันเพิ่มขึ้นจนวัดได้ อนุภาคทั้งสองนี้ด้วยกันที่ทำให้เกิดอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลาง แต่ทว่ามีอิเล็กตรอนจากที่ใดกันที่สัมพันธ์กับโปรตอน? นานทีเดียวที่โปรตอนถูกเข้าแฟ้มไว้ภายใต้ชื่อเดิมของมันที่ทุกคนสมมติไว้ในใจว่ามันเล็กหรือโตเท่า ๆ กับอะตอมไฮโดรเจน มาบัดนี้เมื่อมันได้รับบทบาทให้เป็นนิวเคลียส ก็ทำให้มันต้องมีขนาดเล็กลงหลายพันเท่าตัว ปัญหาในขณะนั้นก็คือ อะตอมไฮโดรเจนสร้างขึ้นมาได้อย่างไรให้ใหญ่โตถึงปานนั้น อย่าลืมนะว่าสร้างขึ้นโดยใช้อนุภาคเล็ก ๆ ทั้งคู่อย่างโปรตอน 1 อนุภาคกับอิเล็กตรอนอีก 1 อนุภาค

เราทราบแล้วว่านิวเคลียสเล็กมากเมื่อเปรียบเทียบกับอะตอมทั้งใบ เหมือนกับลูกหินในบอลลูนโตขนาด 300 ฟุต มิติอันใหญ่โตนี้เราต้องรำลึกไว้ในใจเสมอ เพราะต่อไปเรากำลังจะขยับไปที่การสร้างอะตอมไฮโดรเจนด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างละ 1 อนุภาค มาลองสร้างอะตอมไฮโดรเจนกันด้วยมาตราส่วนอันใหญ่โตนี้ เพื่อว่าพลังจินตนาการอันอ่อนแอของเราจะมีอะไรไว้ให้เกาะบ้าง

ถ้าเราขยายขนาดของโปรตอน 1 อนุภาคกับอิเล็กตรอนอีก 1 อนุภาคให้มีขนาดเท่าลูกหิน เราต้องขยายขนาดของประจุไฟฟ้าของพวกมันด้วยอัตราส่วนเดียวกัน สิ่งนี้ทำให้เราเจอะเจอเข้ากับความยุ่งยากที่ช่างน่าอัศจรรย์ เพราะว่าโปรตอนมีประจุบวก 1 และอิเล็กตรอนมีประจุลบ 1 เพื่อให้มีอวกาศอันว่างเปล่าภายในอะตอมอันเหมาะสม เราต้องจัดวางลูกแก้วประจุทั้งสองนี้ห่างกันประมาณ 150 ฟุต อย่างไรก็ดี ประจุไฟฟ้าที่แตกต่างกันทั้งสองชนิดดึงดูดกัน ด้วยขนาดประจุที่ขยายขึ้นนี้ แรงดึงดูดระหว่างลูกหินทั้งสองลูกจึงมีขนาดมหาศาล ด้วยระยะทางขนาดช่วงตึกของเมืองเล็ก ๆ นี้ พวกมันดึงดูดกันด้วยแรงถึง 400 ตัน!

เพราะนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะทำให้ลูกหินทั้งสองอยู่แยกจากกัน ต่อให้ก่อกำแพงแข็งแรงทำด้วยเหล็กคุณภาพสูงไว้ระหว่างช่องว่าง 150 ฟุตนี้ก็เถอะ ลูกหินทั้งสองลูกก็จะพุ่งชนทะลุกำแพงนี้อย่างรุนแรงเพื่อมาเกาะอยู่ด้วยกัน ความแข็งแรงของเหล็กมีน้อยเกินกว่าจะทนทานแรงขนาด 400 ตันต่อเนื้อที่ภาคตัดขวางขนาดเท่าลูกหินได้ ต่อให้วัสดุที่แข็งแรงที่สุดเมื่อมาเผชิญเข้ากับแรงขนาดนี้ก็จะเป็นเสมือนแค่ก้อนเนยเท่านั้น

แน่ละว่า ในเมื่อไฮโดรเจนของเราต้องมีขนาดใหญ่โตเช่นนี้ แล้วโปรตอนอนุภาคหนึ่งกับอิเล็กตรอนอีกอนุภาคหนึ่งจะถูกวางให้ห่างกันได้โดยธรรมชาติอย่างไรกัน? ผู้ให้คำตอบนี้เมื่อปี ค.ศ. 1913 เป็นนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กชื่อว่า นีลส์ โบร์

ทฤษฎีของโบร์เกี่ยวกับอิเล็กตรอนที่วิ่งวนนี้ได้แก้ปัญหาที่ว่าทำไมอะตอมจึงได้โตนัก โดยมันอธิบายว่าทำไมอะตอมโต ๆ จึงสร้างขึ้นได้ด้วยอนุภาคเล็ก ๆ 2 อนุภาค แล้วนี่ก็ยังบอกอีกด้วยว่าอนุภาคแอลฟาของรัทเทอร์ฟอร์ดที่มีความเร็วสูงมาก สามารถทะลุผ่านพื้นที่ว่างที่ครอบคลุมด้วยอิเล็กตรอนหมุนวนได้อย่างไร ก็คือทำนองเดียวกับกับลูกกระสุนปืนที่ยิงทะลุเข้าไปในใบพัดที่หมุนติ้วได้ ถ้าอิเล็กตรอนถูกอนุภาคแอลฟากระแทกเข้าไป มันจะถูกผลักไปด้านข้างเหมือนลูกปิงปองเจอเข้ากับกระสุนปืนใหญ่ ในการระดมยิงอะตอมด้วยอนุภาคแอลฟา จะยิง “โดน” ก็ต่อเมื่อลูกปืนบังเอิญเข้าไปใกล้กับนิวเคลียสที่หนักและแข็งข้างในอะตอม อย่างกับการค้นพบนิวเคลียสของรัทเทอร์ฟอร์ดนั่นเอง

หากบรรจุอะตอมไฮโดรเจนจำนวนมากไว้ด้วยกันภายในขวดแก้ว พวกมันก็จะทำตัวเหมือนกับอะตอมอื่น ๆ ทั่วไป ก็คือเหล่าอิเล็กตรอนภายในอะตอมจะ “ปกป้อง”พื้นที่ว่างที่พวกมันครอบคลุมไว้ด้วยการเคลื่อนที่หมุนวนอันรวดเร็ว เมื่ออะตอมชนกัน นิวเคลียสของพวกมันไม่เคยปะทะกันเลย เพราะมีอิเล็กตรอนที่หมุนติ้วคอยกันไม่ให้พวกมันทะลุกันและกันเข้าไปได้ ในลักษณะนี้อิเล็กตรอนทำให้อะตอมเป็นเหมือนกับลูกบอลแข็งลูกเล็ก ๆ

ไฮโดรเจนเป็นอะตอมธรรมดาที่สุด เพราะนิวเคลียสของมันมีโปรตอนเพียง 1 อนุภาคและมีประจุ +1 ต่อมาไม่นานก็เริ่มรู้ว่าอะตอมอื่น ๆ มีนิวเคลียสที่มีโปรตอน 2 อนุภาคหรือมากกว่ามาอัดรวมกัน ในนิวเคลียสที่มีโปรตอน 2 อนุภาคอยู่ด้วยกันย่อมต้องมีประจุ +2 อย่างไรก็ดี ธรรมชาติย่อมพยายามรักษาสมดุลไฟฟ้าภายในอะตอมเอาไว้ ตามปกติอะตอมทั้งหลายจึงมีประจุไฟฟ้าเป็นกลาง ดังนั้น เพื่อหักล้างประจุ +2 รอบ ๆ นิวเคลียส ก็จำเป็นต้องมีอิเล็กตรอน 2 อนุภาคหมุนวนเป็นเชลล์ของอะตอมนั้นขึ้นมา

อะตอมที่มีประจุ +2 ในนิวเคลียสและมีอิเล็กตรอนหมุนติ้วด้วย 2 อนุภาคมีอยู่จริง ๆ พวกมันคืออะตอมของธาตุทางเคมีชื่อว่าฮีเลียม เป็นแก๊สเบาที่ใช้สำหรับบรรจุบอลลูน อะตอมไฮโดรเจนเป็นเหมือนกับดวงอาทิตย์ที่มีดาวเคราะห์บริวารเพียงดวงเดียว และอะตอมฮีเลียมก็เสมือนกับระบบสุริยะที่มีดาวเคราะห์บริวาร 2 ดวง

ในการสรรค์สร้างอะตอมของธาตุอื่น ๆ ทั้งมวล เราต้องเติมประจุบวกเพิ่มเข้าไปและเป็นการเพิ่มเข้าไปในนิวเคลียส กับเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนวนจำนวนเท่า ๆ กันเพื่อหักล้างกับประจุของนิวเคลียส และนี่จะสร้างเชลล์หลายเชลล์ขึ้นเป็นชั้นเปลือกที่ยิ่งซับซ้อนของอะตอม ประจุบวก 3 หน่วยในนิวเคลียสกับอิเล็กตรอน 3 อนุภาคก่อให้เกิดอะตอมลิเทียมซึ่งเป็นโลหะคล้ายโซเดียม

นี่คือตัวอย่างส่วนผสมธาตุอื่น ๆ

แนวคิดของโบร์เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมกลายเป็นประโยชน์อย่างยิ่ง นักวิทยาศาสตร์ได้ก้าวต่อไปเพื่ออธิบายข้อเท็จจริงหลากหลายด้านฟิสิกส์และเคมีด้วยทฤษฎีอะตอมใหม่เอี่ยมนี้ การค้นพบที่สำคัญประการหนึ่งก็คือ เมื่ออะตอมต่าง ๆ มาต่อเชื่อมกันเป็นโมเลกุลได้โดยการแบ่งปันอิเล็กตรอนระหว่างกันภายในเชลล์ของพวกมัน โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงกับนิวเคลียสเลยในการทำปฏิกิริยาเคมี พวกมันอยู่กันไกลลิบจากการกีดกันโดยอิเล็กตรอนภายในเชลล์ของพวกมันเอง

ทฤษฎีของโบร์ได้ให้สัญลักษณ์อันคุ้นเคยของอะตอมแก่เราเป็นรูปวาดของระบบสุริยะเล็ก ๆ คุณูปการของรัทเทอร์ฟอร์ดและโบร์ได้ทำให้ทฤษฎีอะตอมมาถึงจุดเปลี่ยนอันแสนประหลาดอย่างแท้จริง อะตอมที่เป็นเสมือนกับลุกบอลตันและแข็งได้เปลี่ยนไปเป็นที่ว่างอันแทบจะว่างเปล่าเกือบทั้งหมด! สรรพสิ่งโดยรอบตัวเรา เก้าอี้แข็งที่คุณกำลังนั่งอยู่ บ้านของคุณ ผืนดินทั้งสิ้น ทุกสิ่งเป็นประหนึ่งความว่างเปล่า หากสามารถดึงเอาที่ว่างเปล่าออกจากร่างกายของมนุษย์ได้ หากว่านิวเคลียสทั้งหมดและอิเล็กตรอนทั้งมวลของร่างกายสามารถมาเกาะอยู่ด้วยกันเป็นมวลแข็ง ร่างกายมนุษย์ก็จะหดเหลือขนาดเท่าเม็ดทรายเล็ก ๆ ที่แทบจะไม่สามารถรู้สึกด้วยปลายนิ้วของเราได้เลยว่ามันอยู่ตรงไหน หรือลองนึกถึงเรือรบหรือเรือบรรทุกเครื่องบินสัก 5,000 ลำ หากดึงเอาที่ว่างภายในอะตอมของพวกมันออกไปได้ เรือทั้งหมดนี้ก็จะมารวมกันมีขนาดเท่าลูกเบสบอล! แต่ “ลูกเบสบอล” นี้ยังคงหนักเท่า ๆ กับเรือทั้ง 5,000 ลำ นี่ช่างน่าโกลาหลเมื่อลองจินตนาการถึงสิ่งของในแบบนี้ ก็เราจะเก็บมันไว้ที่ไหนก็ไม่ได้ เพราะว่ามันจะจมทะลุลงไปในแม้แต่สิ่งกีดขวางที่แข็งแรงที่สุด และแม้แต่เจาะทะลุลงไปถึงแกนกลางของโลก

จริงแท้เชียวว่าอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดและโบร์เป็นแนวคิดใหม่ที่ชวนฝันเสียนี่กระไร!