Атомът съдържа положително заредено ядро и отрицателно заредени електрони, обикалящи по определени орбити около ядрото. Тези орбити отговарят на определени енергетични нива. Почти цялата маса на атома е концентрирана в ядрото, което заема много малка част от обема на атома, има голяма плътност и диаметър от порядъка на 10^-8 сm. Ядрото е съставено от субатомните частици нуклони общото име на два от барионите (тежки частици): неутрони (незаредена частица) и протони (положително заредена частица), които имат еднакви маси. Самите протони и неутрони са съставени от по-елементарните частици кварки. Кварки във ядрената физика се наричат вид елементарни частици, считани засега за неделими или най-елементарни. Те са открити през 1964 г. от американския физик М. Гелл-Ман. Кварките са единствените частици с дробен електричен заряд- 1/3 или 2/3 от заряда на електроните. Друга необичайна тяхна характеристика е свойството цветен заряд, което предопределя взаимодействието им.

Броят на протоните в атома се нарича атомно число. Атомното число определя химичния елемент. А атоми, съдържащи същия брой протони, но различен брой неутрони представят различна форма (изотоп) на даден елемент. Изотопите се идентифицират от своето масово число - сумата на броя на протоните и броя на неутроните в ядрото. Например водородът има 3 изотопа: водород, деутерий и тритий:

Когато атомното ядро съдържа еднакъв брой протони и неутрони, атомът е стабилен. Когато атомното ядро съдържа повече неутрони, отколкото протони, тогава атомът е нестабилен. Ядрото на такъв нестабилен атом ще се опита да премине в стабилно състояние чрез отдаване на частици или кванти (енергия). Тези излъчвания се наричат радиоактивност. Много големите и тежки атоми в природата са нестабилни и радиоактивни. Това включва атомите на елементите уран (атомно число 92), торий (атомно число 90), радий (атомно число 88) и др.

Обикновено атомът има същия брой електрони (отрицателно заредени частици), колкото са протоните в ядрото, и по този начин самия атом е