การออกแบบของจักรวาลก็คือ มีดาวเคราะห์ทั้งหลายที่โคจรไปรอบ ๆ ดวงอาทิตย์ นี่คืออวกาศข้างนอกที่บรรจุไว้ด้วยดาราจักรแห่งดวงอาทิตย์นับล้าน จึงไม่ต้องสงสัยเลยว่ามีระบบสุริยะนับไม่ถ้วนในระหว่างพวกมันกันเอง ส่วนอวกาศข้างในก็บรรจุไว้ด้วยระบบสุริยะของอะตอมที่มีอะตอมหมุนวนรอบพระอาทิตย์คือนิวเคลียสนั้น ยิ่งมีนับไม่ถ้วนเสียยิ่งกว่าอีก นี่คือสองจักรวาลที่อันหนึ่งก่อตัวขึ้นจากระบบสุริยะที่ใหญ่มหาศาลและอีกอันหนึ่งกลับเล็กสุดอนันต์

ถึงตรงนี้ สถาปัตยกรรมของอะตอมก็เป็นที่รู้จักกันแล้วและยังมีความเข้าใจดีพอควร แต่วิทยาศาสตร์ยังคงก้าวต่อไปข้างหน้า ขั้นต่อไปนี้ถึงกับนำเข้าไปสู่ข้างในนิวเคลียสเลยทีเดียว เช่นเดียวกับชาวประมงของเรา นักวิทยาศาสตร์พากันกังขาเกี่ยวกับภาชนะใบน้อย-หรือก็คือนิวเคลียสของอะตอม-ที่พวกเขาทอดแหติดขึ้นมา และพวกเขาก็ตรวจสอบมันด้วยเครื่องมือวิจัยทุกชนิดที่พวกเขาสามารถจะรวบรวมสรรหามาได้

เช่นเคยที่ลูกกระสุนเชิงอะตอมถูกนำมาใช้ ถึงตอนนี้พวกเขายังแตะเข้าไปไม่ถึงนิวเคลียส ลูกกระสุนที่หาได้ตอนนี้ยังเป็นประจุบวกแบบเดียวกับนิวเคลียสนั่นเอง เราได้เห็นกันมาแล้วว่ามีแรงขนาดมหาศาลเพียงใดที่ดึงดูดโปรตอนกับอิเล็กตรอนเข้าไว้ด้วยกัน มีแรงที่มีกำลังเท่า ๆ กันนี้แหละที่กระทำระหว่างลูกกระสุนกับนิวเคลียส แต่ในกรณีนี้มันเป็นแรงผลักลูกกระสุนและนิวเคลียสให้ออกจากกัน เพราะประจุที่เหมือนกันย่อมผลักกัน นิวเคลียสจึงถูกกันอยู่ภายในโล่อิเล็กตรอนที่แข็งแรงจนแทบจะเอาชนะไม่ได้

วิทยาศาสตร์จึงต้องการกระสุนชนิดอื่น ๆ ที่ดีกว่านี้ แต่กระสุนที่ดีกว่านั้น พูดง่าย ๆ ก็คือกระสุนที่เร็วกว่า ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงวุ่นวายอยู่กับการสร้างเครื่องมือขนาดใหญ่สำหรับผลิตลูกกระสุนที่เร็วยิ่งขึ้นและยิ่งขึ้น

ขณะนั้นเป็นเรื่องค่อนข้างง่ายแล้วในการขจัดอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจน ที่จริงนี่เป็นสิ่งที่ทำให้เกิดขึ้นได้ภายในหลอดอิเล็กตรอน รังสีอิเล็กตรอนที่กวาดพาดผ่านไปในหลอดอิเล็กตรอน เมื่อชนเข้ากับอะตอมไฮโดรเจนที่บรรจุไว้ภายในหลอด พวกมันจะชนเข้ากับอะตอมและกระแทกเอาอิเล็กตรอนกระเด็นออกมา คงเหลือผลลัพธ์สำคัญคือโปรตอนที่เปลือยเปล่าเอาไว้ ที่นี้ถ้าโปรตอนถูกปล่อยไว้ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่นที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกัน โปรตอนก็จะถูกดึงดูดด้วยแผ่นโลหะด้านประจุลบและค่อย ๆ เริ่มเคลื่อนตัวไปทางด้านนั้น ถ้าศักย์ไฟฟ้าระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองสูงพอ โปรตอนก็จะเพิ่มความเร็วขึ้นมหาศาล ความเร็วที่ยิ่งเพิ่มขึ้นก็ยิ่งเป็นกระสุนที่ดีขึ้น และนี่เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการ

นักฟิสิกส์พยายามสร้างเครื่องมือทุก ๆ อย่างที่จะสร้างศักย์ไฟฟ้านับล้าน ๆ โวลต์ โปรตอนเคลื่อนที่เร็วที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์ศักย์ไฟฟ้าสูงเหล่านี้ เป็นเสมือนกับรังสีที่มีพลังงานสูงจากเรเดียม แต่โปรตอนพวกนี้ยังเร็วกว่าและมีจำนวนอนุภาคในลำอนุภาคมากกว่าอีกด้วย สิ่งที่พุ่งออกมาจากเรเดียมหรือพอโลเนียมเป็นเหมือนกับน้ำหยดติ๋ง ๆ ในขณะที่ลำโปรตอนจากเครื่องจักรเหล่านี้เป็นเสมือนกับน้ำที่พุ่งอย่างแรงออกมาจากท่อดับเพลิง

ในการทดลองเป็นพัน ๆ ครั้ง นักวิทยาศาสตร์กระหน่ำรังสีประดิษฐ์เข้าไปที่อะตอม มีการอัดกระแทกอนุภาคโปรตอนเข้าไปในนิวเคลียสของธาตุมากมายหลายชนิดและมีหลายสิ่งเกิดขึ้นมา ยกตัวอย่างลองพิจารณาโลหะลิเทียมชิ้นหนึ่งซึ่งข้างในนิวเคลียสของมันมีประจุ +3 ที่นำมาติดตั้งไว้ที่ปลายหนึ่งของเครื่องอัดกระแทกอะตอมและยิงมันด้วยลำของโปรตอนเร็ว กระสุนส่วนใหญ่ไม่โดนเป้าเพราะว่านิวเคลียสมีขนาดเล็กเหลือเกิน แต่ลองพิจารณาดูสิว่าถ้ามีโปรตอนสักอนุภาคหนึ่งบังเอิญอัดโครมเข้าไปตรงศูนย์กลางของนิวเคลียสพอดี ด้วยความเร็วมหาศาลของมัน โปรตอนนี้จะกรีดผ่านโล่อิเล็กตรอนของนิวเคลียส ตะลุยลึกเข้าไปและชนโครม ทีนี้ก็เกิดเป็นนิวเคลียสเกิดขึ้นใหม่ที่มีประจุเพิ่มขึ้นเป็น +4 แล้วทันใดก็กลับแตกออกเป็น 2 นิวเคลียสที่แต่ละนิวเคลียสมีประจุ +2 นิวเคลียสทั้งสองที่เกิดใหม่นี้คือนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม เพราะว่าอะตอมฮีเลียมมีประจุ +2 อยู่ภายในนิวเคลียส ดังนี้ ธาตุหนึ่งได้เปลี่ยนไปเป็นอีกธาตุหนึ่ง และนี่คือความสำเร็จที่นักเล่นแร่แปรธาตุในยุคกลางใฝ่ฝันหา

เมื่อนักวิทยาศาสตร์เริ่มต้นการกระหน่ำยิงลูกกระสุนเข้าไปในนิวเคลียสของอะตอม สาขาใหม่ของวิทยาศาสตร์ก็ได้ถือกำเนิดขึ้น ได้แก่ ฟิสิกส์นิวเคลียร์ ในระหว่างช่วงเวลาที่สำคัญและน่าสนใจของเครื่องอัดกระแทกอะตอมนี้ มีการเรียนรู้มากมายหลายอย่าง แต่รางวัลคือการค้นพบที่เกิดขึ้นกับลูกกระสุนชนิด “โบราณ” นั่นคืออนุภาคแอลฟาที่เหมือนกับน้ำที่หยดติ๋ง ๆ ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสี กระสุนประเภทนี้ใช้ได้กับนิวเคลียสที่มีประจุอ่อน ๆ ซึ่งมีเกราะไม่แข็งแรงพอจะป้องกันกระสุนให้กระเด็นกลับไป

นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันสองคนคือโบเทอและเบคเคอร์ใช้เวลาหลายปี ในการทดลองใช้อนุภาคแอลฟามาศึกษานิวเคลียส วันหนึ่งพวกเขาเลือกเอาโลหะเบริลเลียมเป็นเป้า เบริลเลียมเป็นโลหะที่เบามากใกล้เคียงกับอะลูมิเนียม อะตอมของมันมีประจุ 4 หน่วยภายในนิวเคลียสของมัน ในตารางของธาตุอันยาวเหยียด เบริลเลียมจัดอยู่ในลำดับที่ 4 ถัดจากไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเทียม ทีนี้เมื่ออัดอนุภาคแอลฟาเข้าไปที่นิวเคลียสของเบริลเลียม สิ่งที่น่าพิศวงก็ได้บังเกิดขึ้น แต่ในระยะนั้นเป็นช่วงเวลาที่นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ยังคงตีบตันที่จะอธิบายเรื่องนี้ จนในที่สุดในปี ค.ศ. 1932 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ คือ เซอร์เจมส์ แชดวิก ก็สามารถที่จะปะติดปะต่อเรื่องราวได้สำเร็จ

นิวตรอนกลายเป็นว่ามันหนักเท่า ๆ กับโปรตอน น้ำหนักเชิงอะตอมของมันเท่ากับ 1 เช่นกัน มันเป็นเหมือนกับโปรตอนที่ไม่มีประจุไฟฟ้า

นิวตรอนถูกค้นพบภายหลังการวิจัยเกี่ยวกับนิวเคลียสนานกว่า 20 ปีทีเดียว มันหลบหลีกผู้ไล่ล่าหามันได้นานถึงขนาดนี้ก็เพราะว่ามันไม่มีประจุให้เผยพิรุธ และก็เพราะว่าโปรตอน อิเล็กตรอน และอนุภาคแอลฟามีประจุไฟฟ้าอย่างแรงที่ทำให้พวกมันถูกตามรอยได้โดยง่าย

ในระหว่างที่ศาสตร์ว่าด้วยฟิสิกส์นิวเคลียร์เติบโต นักวิทยาศาสตร์ได้ประดิษฐ์อุปกรณ์หลายชนิดสำหรับตรวจหาอนุภาคเชิงอะตอม จอฟลูออเรสเซนซ์เป็นอุปกรณ์ชิ้นแรกในกลุ่มนี้ ต่อมามีการประดิษฐ์เครื่องตรวจหารังสีอีกชนิดหนึ่ง คือ ไกเกอร์เคาน์เตอร์หรือเครื่องสำรวจรังสีอันมีชื่อเสียงโด่งดัง โดยตั้งชื่ออุปกรณ์ตามชื่อของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ ฮันส์ ไกเกอร์

อนุภาคที่มีประจุเท่านั้นที่สามารถกระตุ้นไกเกอร์เคาน์เตอร์ธรรมดาได้ เพราะการที่นิวตรอนไม่มีประจุ จึงทำให้มันเคลื่อนที่ผ่านทะลุเชลล์อิเล็กตรอนของอะตอมไปได้ตลอด มันไม่ออกแรงกระทำกับอิเล็กตรอน และดังนั้นก็ไม่สามารถกระแทกเอาอิเล็กตรอนออกจากที่ที่อิเล็กตรอนอยู่กันได้ ก็คือว่านิวตรอนไม่อาจจะก่อเกิดอิเล็กตรอนราวกับหิมะถล่มได้ด้วยตัวมันเอง

สิ่งที่นิวตรอนสามารถกระทำได้มีเพียงประการเดียวเท่านั้น คือขณะเมื่อมันเคลื่อนไปอย่างอิสระทะลุเข้าไปในที่ว่างภายในอะตอม มันอาจบังเอิญไปชนเข้ากับนิวเคลียสของอะตอม และเตะมันกระเด็นไปข้างหน้าแบบเดียวกับการแทงลูกบิลเลียดลูกหนึ่งไปกระแทกลูกบิลเลียดอีกลูกหนึ่งกระเด็นไป คราวนี้นิวเคลียสนี้ที่มีประจุก็จะกระเด็นไปชนอะตอมอื่น ๆ และทำให้อิเล็กตรอนของอะตอมเหล่านั้นกระเด็นออกมามากมายราวกับหิมะถล่ม และทำให้ไกเกอร์เคาน์เตอร์ทำหน้าที่ของมันได้ ในปัจจุบันการบันทึกอนุภาคนิวตรอนทำโดยเครื่องนับชนิดพิเศษ ที่ให้โอกาสแก่นิวตรอนมีโอกาสดีที่สุดในการชนกับนิวเคลียสอื่น ๆ ซึ่งนี่จะทำให้เกิดการบันทึกไว้ได้ แน่ละว่าตอนแรกยังไม่มีเครื่องนับพิเศษแบบนี้ และนี่ก็คือสาเหตุว่าทำไมนิวตรอนจึงพลิ้วไปได้โดยหาตัวเจอได้ยากอยู่เป็นนาน แต่ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ก็เป่าควันที่บดบังมันเอาไว้ให้ซ่อนแอบอยู่ในนิวเคลียสได้เป็นผลสำเร็จ

ตกลงว่านิวตรอนก็เป็นหน่วยการสร้างหนึ่งของอะตอม โปรตอนก็เป็นอีกหน่วยการสร้างหนึ่ง นิวเคลียสสร้างขึ้นจากโปรตอนและนิวตรอนหลอมรวมกันแน่นเป็นลูกบอลเล็กและแน่น ในธรรมชาติมีนิวเคลียสที่มีอนุภาคเดียวก็คืออนุภาคโปรตอนเอง ซึ่งได้แก่นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน อะตอมอื่นทั้งหมดล้วนมีนิวเคลียสที่มีทั้งโปรตอนและนิวตรอน ยกตัวอย่างฮีเลียมซึ่งมีโปรตอน 2 อนุภาคกับนิวตรอน 2 อนุภาค ทั้ง 4 อนุภาคนี้ต่างมีน้ำหนัก 1 หน่วยเท่า ๆ กัน ดังนั้นนำหนักเชิงอะตอมของฮีเลียมจึงเท่ากับ 4 โดยโปรตอนทำให้นิวเคลียสของมันมีประจุเป็น 2 เมื่อนักเคมีพูดกันถึงฮีเลียม พวกเขาใช้สัญลักษณ์ย่อเป็น “He” นักฟิสิกส์จะเฉพาะเจาะจงกว่า โดยพวกเขาเขียนนิวเคลียสของฮีเลียมเช่นนี้ “⁴₂He” เลข 4 คือ น้ำหนัก และเลข 2 คือ ประจุ จากตัวเลขทั้งสองนี้เราสามารถเห็นได้ทันทีว่ามันต้องประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาคและนิวตรอน 2 อนุภาค

ธาตุลำดับถัดไปในแถวคือลิเทียม ได้แก่ “⁷₃He” ซึ่งมีโปรตอน 3 อนุภาคและนิวตรอน 4 อนุภาค ส่วนผสมนี้ทำให้ประจุของนิวเคลียสเป็น 3 และน้ำหนักเชิงอะตอมเป็น 7 สำหรับออกซิเจนคือ ¹⁶₈O เหล็กคือ ⁵⁶₂₆Fe ยูเรเนียมคือ ²³⁹₉₂U ที่มีโปรตอน 92 อนุภาคและนิวตรอน 146 อนุภาคอัดรวมกันอยู่ในนิวเคลียส ในทำนองเดียวกันเรเดียมก็มีนิวเคลียสอัดแน่นที่สุดเช่นกัน โดยมีโปรตอน 88 อนุภาคและนิวตรอน 138 อนุภาค

เงื่อนไขการอัดกันแน่นคือเหตุผลว่าทำไมพวกอะตอมหนักจึงมีกัมมันตรังสี นิวเคลียสพวกนี้เป็นพวก “หนักสุด” ไม่เสถียร พร้อมที่จะแตกทำลายอยู่ตลอดเวลา พวกมันกำจัดน้ำหนักและประจุส่วนเกินโดยการยิงเอาอนุภาคแอลฟาออกมา ในบทก่อน ๆ เราได้เห็นว่าเรเดียม (Ra) แปรตัวมันเองเป็นเรดอน (Rn) ได้อย่างไร ก็คือ เมื่ออนุภาคแอลฟา-หรืออะไรที่เหมือนกันก็คือนิวเคลียสของฮีเลียม ถูกสลัดออกมาจากนิวเคลียสของเรเดียม หลายประโยคยาว ๆ ที่ว่ามานี้ นักฟิสิกส์เขียนแทนได้ง่าย ๆ ดังนี้

²²⁶₈₈Ra – ⁴₂He = ²²²₈₆Rn

นี่ทำให้ศาสตร์ว่าด้วยฟิสิกส์นิวเคลียร์กลายเป็นเกมตัวเลขง่าย ๆ แต่ชวนหลงใหล

โปรตอนกับนิวตรอนมีวิธีที่เกาะเข้าด้วยกันแน่นเป็นนิวเคลียสของอะตอม อะไรจะเกิดขึ้นเมื่อนิวตรอนอนุภาคหนึ่งมาเกาะเข้ากับโปรตอนอีกอนุภาคหนึ่ง? อนุภาคทั้งสองจะประกอบกันเป็นนิวเคลียสของอะตอมที่มีประจุ 1 หน่วยและน้ำหนัก 2 หน่วย นิวเคลียสนี้สามารถผูกเข้ากับอิเล็กตรอนอนุภาคหนึ่งเป็นระบบสุริยะเล็กจิ๋วเหมือนกับอะตอมไฮโดรเจน ในทางเคมีอะตอมนี้จะมีพฤติกรรมเหมือนกับอะตอมไฮโดรเจนแท้ ๆ เนื่องจากสมบัติทางเคมีของอะตอมขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนภายในเชลล์เท่านั้น ในปี ค.ศ. 1932 ไฮโดรเจน ”หนัก” นี้ถูกค้นพบโดยผู้ชนะรางวัลโนเบลชาวอเมริกันชื่อว่าแฮโรลด์ ยูรี แห่งมหาวิทยาลัยชิคาโก มันถูกพบได้ทั่วไปปะปนอยู่กับไฮโดรเจนธรรมดา อะตอมไฮโดรเจนหนักมีประมาณ 1 ต่อ 5,000 ของไฮโดรเจนธรรมดา สัญลักษณ์ทางนิวเคลียร์ของไฮโดรเจนธรรมดาคือ ¹₁H และไฮโดรเจนหนักคือ ²₁H

เมื่อพวกนักวิทยาศาสตร์จัดทำสต็อกอะตอมต่าง ๆ ของพวกเขา ก็พบว่ามีนิวเคลียสเป็นจำนวนมากที่มีนิวตรอนอัดแน่นอยู่เกินกว่าปกติ 1 อนุภาคหรือแม้แต่มากกว่า เช่น อะตอมออกซิเจน 10,000 อะตอมจะมี 9,976 อะตอมที่ในนิวเคลียสมีนิวตรอน 8 อนุภาคนอกเหนือจากโปรตอน 8 อนุภาค แต่อีก 4 อะตอมจะมีนิวตรอน 9 อนุภาค และอีก 20 อะตอมจะมีนิวตรอน 10 อนุภาค อะตอมออกซิเจนที่มีน้อย ๆ นี้ มีน้ำหนักเชิงอะตอม 17 และ 18 หน่วย ตามลำดับ แต่อะตอมออกซิเจนทุกอะตอมมีโปรตอน 8 อนุภาคและอิเล็กตรอน 8 อนุภาคที่ทำให้อะตอมพวกนี้เป็นอะตอมออกซิเจน

ถ้ามีนิวตรอน 1 อนุภาคหรือมากกว่าถูกเพิ่มเข้าไปในนิวเคลียสของอะตอมใด ๆ ก็ไม่ทำให้มันเปลี่ยนแปลงทางเคมี เพราะนิวตรอนส่วนเกินไม่ได้เปลี่ยนแปลงประจุของนิวเคลียส และด้วยเหตุผลเดียวกันจำนวนอิเล็กตรอนในเชลล์ก็ยังคงเท่าเดิม นิวตรอนส่วนเกินนี้เพียงแต่ไปเพิ่มน้ำหนักของอะตอม และอะตอมชนิดที่แตกต่างกันตรงน้ำหนักทั้งหมดนี้ถูกจัดอยู่ในตำแหน่งเดียวกันในบัญชีธาตุทางเคมี ทั้งนี้เพราะพวกมันมีจำนวนอิเล็กตรอนที่โคจรเท่ากัน นักฟิสิกส์มีชื่อพิเศษสำหรับอะตอมที่แตกต่างกันแค่ที่จำนวนนิวตรอนเหล่านี้ว่า “ไอโซโทป” จากคำภาษากรีกหมายถึง “ในที่เดียวกัน”

ธาตุส่วนใหญ่เป็นไอโซโทปที่ผสมปนเปกัน ที่จริงมีเพียงไม่กี่ธาตุในธรรมชาติที่มีอะตอมเพียงอย่างเดียวโดยมีน้ำหนักเท่ากันหมด ธาตุอื่น ๆ มีอะตอม 2 ชนิดบ้างอย่างเช่น คลอรีน ส่วนออกซิเจนมีอะตอม 3 ชนิดอย่างที่เราเคยพบเห็นมาก่อนหน้านี้ คือ ¹⁶₈O ¹⁷₈O และ ¹⁸₈O และโลหะดีบุกมีอะตอมถึง 10 ชนิด!

ด้วยการค้นพบนิวตรอน ตัวต่อชิ้นสุดท้ายในปริศนาของอะตอมก็ถูกวางสนิทลงในที่ของมัน องค์ประกอบของนิวเคลียสได้กระจ่างแล้วในบัดนี้ กัมมันตภาพรังสีและไอโซโทปมีคำอธิบายอันสมเหตุสมผลแล้ว แต่นักวิทยาศาสตร์รู้เพียงน้อยนิดว่า นิวตรอนกำลังจะกลายเป็นดาวเด่น ในละครชุดของเหตุการณ์ทางวิทยาศาสตร์นิวเคลียส

นิวตรอนได้กลายเป็นมีดคมที่ชาวประมงใช้แกะตราผนึกของภาชนะมหัศจรรย์ใบนั้น