Atom
Yapısı > Çekirdek

Ana madde: Atom çekirdeği
Bir atomdaki tüm proton ve nötronlar, atomun çekirdeğinde yer alır. Bu iki parçacık birlikte nükleon olarak adlandırılır. Bir çekirdeğin yarıçapı, nükleon sayısı  A olan bir atomda yaklaşık  1,07{\sqrt[{3}]{A}} femtometre kadardır. Nükleonlar, "residual strong force" adı verilen kısa menzilli bir çekici güç bir arada tutar. Bu kuvvet 2,5 fm'den daha kısa uzaklıklarda, pozitif yüklü protonların birbirlerini itmelerine neden olan elektrostatik güçten çok daha güçlü bir kuvvettir.
Bir elementin tüm atomlarındaki proton sayısı aynıdır ve bu değer atom numarası olarak adlandırılır. Bir elementin atomlarındaki nötron sayıları farklılık gösterebilirken farklı nötron sayılarına sahip aynı element atomlarına izotop denir. Proton ve nötronların toplam sayısı, nüklidi belirler. Farklı sayıda proton ve nötrona sahip bir çekirdek, radyoaktif bozunmaya uğrayıp daha düşük bir enerji seviyesine geçerek proton ve nötron sayılarını birbirine yakınlaştırabilir. Bu bağlamda, proton ve nötron sayıları birbirine yaklaştıkça atomun radyoaktif bozunmaya karşı daha kararlılığı artar. Ancak atom numarası arttıkça, protonların birbirlerine uyguladıkları elektrostatik itme kuvvetleri artacağından, protonlar arasına girerek bu itmeleri azaltan nötron sayısı giderek çoğalır. Bunun sonucunda atom numarası 20'nin üzerinde (20, kalsiyumun atom numarasıdır) proton ve nötron sayıları eşit kararlı çekirdekler bulunmaz. Atom numarası arttıkça, kararlı bir çekirdek için gerekli olan nötron-proton oranı 1,5'e doğru kayar.
Proton, elektron ve nötronlar fermiyon olarak sınıflandırılırlar. Fermiyonlar için de geçerli olan Pauli dışarlama ilkesine göre özdeş iki parçacık, aynı anda aynı kuantum durumunda bulunamaz. Bundan ötürü çekirdekteki her bir proton ile nötron, kendi grubundaki diğer parçacıklardan farklı bir kuantum durumunda bulunmalıdır.
Atom çekirdeğindeki proton ve nötron sayıları, güçlü etkileşim nedeniyle büyük bir enerji gereken bir şekilde değiştirilebilir. Bu olay sonucunda, çekirdeğin değişmesi için emilen enerjiden daha fazla enerji dışarı salınır. Birden fazla çekirdeğin birleşerek daha ağır bir çekirdek oluşturmasına nükleer füzyon, çekirdeğin daha az sayıda nükleon içeren çekirdeklere bölünmesine ise nükleer fisyon denir. Nükleer füzyon için gereken ya da sonrasında ortaya çıkan enerji, nükleer füzyon için gereken ya da sonrasında ortaya çıkandan fazladır. Çekirdeğin yüksek enerjili atomaltı parçacık ya da fotonlarla bombardımana uğratılması sonucunda proton sayısı değişirse, atom başka bir element olacak şekilde değişir.
Bir füzyon reaksiyonu sonrasındaki çekirdek kütlesi ayrı parçacıkların toplam kütlesinden az olduğu durumlarda bu iki değer arasındaki fark, kütle-enerji eşdeğerliği formülü olan e=mc2 (buradaki m kütle kaybı, c ise ışık hızıdır) sonucu ortaya çıkan değere sahip gama ışını ya da bir beta parçacığının kinetik enerjisi gibi kullanılabilir bir tür enerji olarak salınabilir. Yeni çekirdeğin bağlanma enerjisinin bir parçası olan bu enerji; birleşen parçacıkların bir arada kalması için gereken enerjinin geri döndürülemeyen kaybıdır.
İki çekirdeğin, demir ile nikelinkinden daha düşük atom numarasına sahip bir çekirdek oluşturacak şekilde gerçekleştirdiği füzyon, genellikle ekzotermiktir. Daha ağır çekirdeklerde, nükleon başına bağlanma enerjisi düşmeye başlar. Bu bağlamda, 26 dolaylarından yüksek atom numarası ile 60 dolaylarından daha yüksek kütle numarasına sahip sahip çekirdek üretimiyle sonuçlanan bir füzyon ise endotermiktir.