Aineen perimmäinen rakenne on aina ollut luonnontieteen keskeisiä kysymyksiä. Antiikin Kreikassa esitettiin näkemys, jonka mukaan kaikki aine koostuu neljästä peruselementistä: maasta, ilmasta, vedestä ja tulesta. Ajatus atomeista, aineen pienimmistä jakamattomista rakenneosista, on myös peräisin antiikin Kreikasta, luonnonfilosofi Demokritokselta (n. 460–370 eaa., kuvassa ylhäällä oikealla).

Käsitys atomeista saavutti tieteellisen teorian aseman 1800-luvulla. Havaittiin, että atomien kautta voitiin selittää kemiallisten reaktioiden säännönmukaisuuksia. Tietyn alkuaineen atomit ovat keskenään samankaltaisia, mutta erilaisia toisen alkuaineen atomeihin nähden. Fysiikan näkökulmasta atomit edustivat kuitenkin vain yhtä aineen rakenteen tasoa. Myös atomeilla on sisäinen rakenne, mikä havaittiin modernin fysiikan aikakaudella 1900-luvulle tultaessa.

Ensimmäisiä viitteitä atomin rakenteesta löysi Joseph Thomson (1856–1940, kuvassa alhaalla oikealla). Hän havaitsi nk. katodisäteiden koostuvan negatiivisesti sähkövaratuista ja hyvin kevyistä hiukkasista. Hiukkaset nimettiin elektroneiksi. Kyseessä oli ensimmäinen havaittu atomin osanen. Nykykäsityksen mukaan elektroni on alkeishiukkanen, jolla ei ole sisäistä rakennetta.

Atomien rakennetta ja alkeishiukkasia tutkittaessa selvisi, ettei niiden käyttäytyminen vastaa klassisen fysiikan teorioita. Klassiset hiukkaset etenevät täsmällisiä ratoja, jotka määräytyvät niiden kokemien vuorovaikutusten perusteella mekaniikan lakien mukaan. Erityisesti atomin sisäisten rakenneosasten vuorovaikutusten selittäminen klassisen fysiikan keinoin oli mahdotonta, koska ennusteet eivät vastanneet havaintoja.

Alkeishiukkasten maailmasta saatiin tietoa useimmiten välillisesti erilaisissa tilanteissa vapautuvan hiukkassäteilyn tai sähkömagneettisen säteilyn kautta. Luvussa 1 tutustutaan valon ja yleisemmin sähkömagneettisen säteilyn aalto- ja hiukkasluonteeseen. Valon hiukkasmaisuuden ymmärtäminen ja sähkömagneettisen säteilyn liittyminen alkeishiukkasmaailman ilmiöihin toi modernin fysiikan tutkijat uusien kysymyksien äärelle. Jos valolla on sekä hiukkas- että aaltoluonne, käyttäytyvätkö hiukkaset aina hiukkasina?

Kuvat: ylhäällä Demokritos Antoine Coypelin maalauksessa vuodelta 1692, alhaalla J. J. Thomson.