우리는 원자를 당연하게 생각한다. 그러나 우리의 몸에도 가구들에도 그리고 공기 중에도 원자들은 존재한다. 모든 것들은 원자로 만들어져 있다. 우리가 보고 만지는 모든 것들은 원자로 만들어졌거나 원자로 인해서 존재한다. 빛과 방사능, 자기장 그리고 중력조차도 모두 원자와 함께 시작한다.
원자의 내부
모든 원자 내부에는 양성자와 중성자 그리고 전자의 세 가지 아원자 입자가 있다. 양성자와 중성자는 서로 결합하여 원자의 핵을 이루고 있는 전자는 원자의 주위를 회전한다. 양성자와 전자는 반대의 전하를 가지고 있는데, 양성자는 양전하를 전자는 음전하를 가진다. 반대의 전하는 잡아당기기 때문에 양성자와 전자는 서로 잡아당긴다. 대부분의 경우 원자 안에 있는 전자의 수는 양성자의 수와 같아서 원자는 중성의 전하를 가진다. 원자가 전자를 너무 많이 혹은 적게 가지고 있는 경우 이 원자를 이온이라고 부르는데, 이온은 양전하는 음전하를 가진다(이온은 배터리를 만드는 데에 아주 유용하다). 원자 안에 있는 중성자는 중성의 전하를 가지고 있다. 이들은 양성자를 결합시킨다. 양성자는 모두 같은 전하를 가지고 있기 때문에 서로 반발하는데, 중성자가 "접착제" 역할을 해서 핵 안에서 이들 양성자를 단단하게 붙여놓는다. 핵 안의 양성자 수는 원자의 특성을 결정한다. 예를 들어 13개의 양성자와 14개의 중성자로 핵을 만들고 핵 주위를 13개의 전자가 회전하게 하면 알루미늄 원자가 만들어진다. 이렇게 해서 수백만 개의 알루미늄 원자를 한데 모으면 알루미늄 물질을 얻을 수 있어서 알루미늄 깡통이나 호일 그리고 여러 주방용품을 만들 수 있게 된다. 자연에서 얻을 수 있는 모든 알루미늄은 알루미늄 27이라고 한다. 27이라는 숫자는 핵 안에 있는 중성자와 양성자의 수를 말하는데 이것을 원자질량이라고 한다. 같은 원소를 가진 원자들도 다른 형태를 나타낼 수 있다. 예를 들면 구리는 구리 63(자연에 있는 구리의 약 70퍼센트를 차지한다)과 구리 65(나머지 구리 약 30퍼센트)라는 두 가지의 안정적인 형태를 가지고 있다. 이 둘을 동위원소라고 부른다. 구리의 두 동위원소의 원자는 29개의 양성자를 가지고 있지만 구리 63 원자는 34개의 중성자를 가지고 있고 구리 65 원자는 36개의 중성자를 가지고 있다. 두 동위원소는 똑같이 행동하고 모습도 같으며 또한 둘 다 안정적이다.
레이저
레이저 빛은 보통의 빛과는 아주 다르지만 전자에 의해서 동일한 원리로 만들어진다. 방출되는 빛은 단색이다. 그것은 특정 파장의 빛(특정 색깔)을 가진다. 방출되는 빛은 코히어런트 광이다(위상이 고르다). 이 빛은 "정돈되어" 있다. 즉 모든 광자는 한 방향으로 나아가는 일치된 파면을 가지고 있다. 이 빛은 아주 강한 방향성을 가지고 있다. 레이저 빛은 매우 조밀한 광선으로서 매우 강하고 또한 집약되어 있다. 레이저에서는 레이저 매체가 "주입되어" 양자를 들뜬 상태로 만든다. 매우 강한 섬광이나 방전이 레이저 매체를 주입하면 고에너지의 전자를 가진 많은 원자가 만들어진다. 같은 상태의 전자를 가진 두 개의 동일한 원자는 동일한 파장을 가지고 있다. 만일 이 광자가 어떤 에너지와 위상을 가지고 있으면서 똑같이 들뜬상태에 있는 전자를 가지고 있는 또 다른 원자를 만난다면 유도방출이 있어날 수 있다. 첫 번째 광자가 원자의 방출을 유도하면 두 번째 원자로부터 방출된 광자는 들어온 광자와 같은 주파수와 방향으로 진동한다. 레이저의 또 다른 핵심은 한쌍의 거울인데, 이 거울은 각각 레이저 매질의 양 끝에 있다. 광자는 거울에 반사되어 레이저 매질 사이를 왔다 갔다 한다. 이 과정에서 광자들은 같은 파장과 위상을 가지고 있는 보다 많은 광자들을 자극시킨다. 캐스케이드 효과가 발생하여 같은 파장과 위상을 가진 많은 광자들이 함께 존재하게 된다. 레이저의 한쪽 끝에 있는 거울은 반이 은으로 되어 있는데, 이것은 일부의 빛은 반사하고 일부의 빛은 통과시킨다는 것을 의미한다. 여기에서 통과된 빛이 레이저 광선이다.
방사능에 대해서
어떤 원소들은 방사성을 띠는 동위원소를 가지고 있다. 예를 들면 수소 3(3중 수소라고도 한다)은 한 개의 양성자와 두 개의 중성자를 가지고 있다. 이 동위원소는 불안정하다. 만일 3중 수소로 가득 찬 컨테이너를 100만 년 후에 다시 열어본다면 모든 3중 수소가 안정적인 헬륨 3(두 개의 양성자와 한 개의 중성자)으로 바뀐 것을 발견하게 될 것이다. 3중 수소가 헬륨 3으로 바뀌는 과정을 방사성 붕괴라고 한다. 어떤 원소들은 모든 동위원소들이 자연상태에서 방사성을 가지고 있는 경우가 있다. 우라늄이 그 좋은 예인데, 이들은 자연상태에 존재하는 방사성 원소 중에서 가장 무겁다. 이외에 자연상태로 존재하는 방사성 원소는 여덟 개가 있는데 그들은 폴로늄, 아스타틴, 라돈, 프란슘, 라듐, 악티늄, 토륨 그리고 프로탁티늄이다. 인공적으로 만들어진 우라늄보다 무거운 원소들도 모두 마찬가지로 방사능을 가지고 있다. 방사성 동위원소의 원자는 알파 붕괴와 베타붕괴, 자연 발생적 분열의 세 가지의 일반적인 과정 중 하나를 통해서 자연 발생적으로 붕괴하면서 다른 원소가 된다. 이런 붕괴가 일어나면 알파선, 베타선, 감마선, 그리고 중성자선의 네 가지 방사선이 만들어진다.