1 基本粒子
各种化学元素的原子实际上都是大量电子绕核旋转形成的相当复杂的力学系统，知道了这一点以后，我们难免会问，那么原子核就是不可分割的最基本的物质单位吗？还是说它仍能进一步分割成更小、更简单的部件？92种不同的原子是否有可能进一步拆分成几种非常简单的粒子？
出于这种对简洁的追求，早在19世纪中期，一位名叫威廉·普劳特（WilliamProut）的英国化学家就提出了一套假说：所有化学元素的原子本质上完全相同，它们其实都是氢原子不同程度的“聚合”产物。普劳特的假说基于一个事实：各种元素的化学原子质量都很接近氢原子的整数倍。按照普劳特的说法，氧原子的质量是氢原子的16倍，所以它一定是由16个氢原子紧密组合在一起而形成的。以此类推，原子量127的碘由127个氢原子组成，如此等等。
但是这套大胆的假说却无法解释当时人们实际观察到的化学现象。如果对原子质量进行精确的测量，我们很容易发现，大多数原子的质量并不是氢原子的整数倍，只是非常接近整数；甚至有一小部分元素的原子量和整数相去甚远（比如说，氯的原子量是35.5）。这样的事实与普劳特的假说格格不入，所以人们始终不太相信他的理论，直至普劳特去世，他也不知道自己有多接近真相。
直到1919年，英国物理学家F.W.阿斯顿（）发现，普通的氯其实是一种混合物，它由两种化学性质完全一致但原子量各不相同且均为整数（分别是35和37）的氯原子组成，普劳特的假说才重新焕发了生机。从化学意义上说，非整数的35.5代表的只是混合氯的平均原子量。[60]
对各种元素的进一步研究揭示了一个惊人的事实：大部分元素都是由化学性质完全相同但原子量有所差异的不同原子组成的混合物。这些相似的原子在元素周期表中占据的位置也完全相同，所以它们被命名为同位素。[61]所有同位素的质量都是氢原子质量的整数倍，被遗忘的普劳特假说由此获得了新生。正如我们在上一章中介绍过的，原子的质量主要集中在原子核内，那么我们用现代语言重新组织一下，普劳特的假说应该表述为：不同种类的原子核由数量不等的基本氢原子核组成，氢原子核在物质结构中拥有如此特殊的地位，所以我们将之命名为“质子”。
不过，对于上面这段描述，我们还需要做一个重要的修正。以氧原子核为例，由于氧是自然序列中的第八种元素，所以氧原子必然包含8个电子，它的原子核也必然携带8个基本正电荷。但氧原子的质量是氢原子的16倍。这样一来，如果我们假设氧原子核由8个质子组成，那么它的电荷数倒是没问题，但质量却对不上（二者都是8）；如果氧原子核由16个质子组成，那质量对了，电荷数却又错了（都是16）。
显然，要解决这个难题，唯一的办法就是假设组成复杂原子核的部分质子失去了正电荷，所以它呈电中性。
早在1920年，卢瑟福就提出了这种不带电质子（现在我们称之为“中子”）的存在，不过直到12年后，我们才真正找到了这些小家伙。这里必须说的是，我们不应将质子和中子视作两种完全不同的粒子，其实它们更像是电性有所差异的同一种基本粒子，我们称之为“核子”。事实上，我们已经知道，质子可以失去一个正电荷，从而变成中子，得到正电荷的中子又会变成质子。
引入中子作为构造原子核的基本单元，我们前面提到的难题就迎刃而解了。要理解原子量16的氧原子核为何只携带了8个单位的电荷，我们就必须接受一个事实：氧原子核由8个质子和8个中子组成。以此类推，碘的原子序数是53，原子量是127，所以它由53个质子和74个中子组成；更重的铀原子核（原子量238，原子序数92）由92个质子和146个中子组成。[62]
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