Атом состоит из крошечного, но массивного положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Почти вся масса атома (более 99,9 %) сосредоточена в ядре, хотя его радиус (порядка 10⁻¹⁵ м, то есть фемтометр, фм) примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома (порядка 10⁻¹⁰ м). Если увеличить атом до размеров стадиона, ядро будет величиной с горошину в центре поля.
Ядро состоит из нуклонов двух видов: протонов (заряд +e, где e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл) и нейтронов (заряд равен нулю). Масса протона ≈ 1,6726·10⁻²⁷ кг, масса нейтрона чуть больше ≈ 1,6749·10⁻²⁷ кг, а масса электрона почти в 1836 раз меньше протона.
Число протонов в ядре называют зарядовым числом Z — оно равно номеру элемента в таблице Менделеева и определяет, что это за химический элемент. В нейтральном атоме столько же электронов, сколько протонов.