Nguyên tử
Các thành phần > Hạt nhân

Bài chi tiết: Hạt nhân nguyên tử
Mọi proton và neutron liên kết với nhau trong hạt nhân nguyên tử, và chúng được gọi chung là các nucleon. Bán kính của hạt nhân có giá trị xấp xỉ 1,07 3√A fm, với A là tổng số nucleon trong hạt nhân. Giá trị này nhỏ hơn rất nhiều bán kính của nguyên tử và bằng khoảng 105 fm. Các nucleon liên kết với nhau bởi thế năng hút còn dư của tương tác mạnh tầm ngắn. Với khoảng cách 2,5 fm lực này mạnh hơn lực điện từ làm cho các proton điện tích dương đẩy nhau.
Các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton, hay còn gọi là số nguyên tử. Hạt nhân của một nguyên tố có số hạt neutron khác nhau xác định lên các đồng vị của nguyên tố đó. Tổng số proton và neutron xác định lên nuclit. Số lượng tương đối neutron so với proton ảnh hưởng tới tính ổn định của hạt nhân, và ở một số đồng vị có hiện tượng phân rã phóng xạ.
Các hạt proton và neutron được phân loại thành hạt fermion. Nguyên lý loại trừ Pauli, một hiệu ứng cơ học lượng tử, không cho phép có hai hạt fermion đồng nhất ở cùng một trạng thái, ví dụ như không thể có nhiều hạt proton có cùng một trạng thái lượng tử trong cùng một thời gian. Do vậy mỗi hạt proton trong hạt nhân phải có các trạng thái khác nhau, với mức năng lượng của riêng chúng, và tương tự quy tắc này cho các hạt neutron. Tuy nhiên nguyên lý này không ngăn cấm một hạt proton và một neutron có cùng trạng thái lượng tử.
Đối với các nguyên tử có giá trị nguyên tử số thấp, một hạt nhân có số proton khác số neutron có xu hướng trở về trạng thái năng lượng của hạt nhân thấp hơn thông qua quá trình phân rã phóng xạ dẫn đến số hạt proton và neutron trở lên xấp xỉ bằng nhau. Kết quả là, các nguyên tử có số proton xấp xỉ bằng số neutron có hạt nhân bền và không có hiện tượng phóng xạ. Tuy nhiên, khi nguyên tử số tăng lên, lực đẩy lẫn nhau giữa các proton và đòi hỏi số neutron tăng lên để duy trì sự ổn định của hạt nhân, không còn tuân theo xu hướng cân bằng hai hạt này nữa. Và thực tế không có hạt nhân bền nào với số proton xấp xỉ bằng số neutron khi nguyên tử số lớn hơn Z = 20 (calci); và khi Z tăng đến những hạt nhân nặng nhất, tỉ số neutron trên proton để cho hạt nhân ổn định tiến tới giá trị 1,5.
Các nhà khoa học biết hạt nhân nguyên tử có thể thay đổi số proton và neutron, mặc dù sự điều chỉnh này cần năng lượng rất cao do ảnh hưởng của lực hạt nhân cũng như lực điện từ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra khi nhiều hạt nhân kết hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn, như sự va chạm năng lượng cao giữa hai hạt nhân. Ví dụ, tại lõi Mặt Trời các proton đòi hỏi năng lượng cỡ 3–10 keV để vượt qua lực đầy giữa chúng— để vượt qua rào Coulomb—và tổng hợp lại thành hạt nhân nặng hơn. Phản ứng phân hạch hạt nhân là quá trình ngược lại, một hạt nhân bị tách ra làm hai hạt nhân có khối lượng nhỏ hơn—thường thông qua quá trình phân rã phóng xạ. Hạt nhân cũng bị biến đổi do kết quả quá trình bắn phá bởi các hạt hạ nguyên tử hay chùm proton năng lượng cao. Nếu hạt nhân mới sinh ra với số proton khác đi thì nguyên tử trở thành một nguyên tử của nguyên tố hóa học khác.
Nếu khối lượng của hạt nhân sản phẩm trong phản ứng tổng hợp nhỏ hơn tổng cộng khối lượng của các hạt nhân tham gia phản ứng, thì hiệu khối lượng này có thể phát ra dưới dạng năng lượng có ích (như tia gamma, hay động năng của các hạt sản phẩm như hạt beta), và tuân theo nguyên lý sự tương đương khối lượng-năng lượng với công thức của Albert Einstein ΔE = Δm.c2, với Δm là khối lượng chênh lệch và c là tốc độ ánh sáng. Năng lượng dôi ra này có nguồn gốc từ năng lượng liên kết của hạt nhân tạo thành, và nó là sự mất mát năng lượng không thể khôi phục được làm cho các hạt tham gia tổng hợp đứng cạnh nhau trong một trạng thái đòi hỏi năng lượng này phải tách ra.
Phản ứng tổng hợp tạo ra hạt nhân lớn hơn từ các hạt nhân có nguyên tử số Z nhỏ hơn của sắt và nikel – với tổng số nucleon vào khoảng 60—thường là phản ứng sinh nhiệt giải phóng nhiều năng lượng hơn so với năng lượng cần thiết để tổng hợp chúng. Đây chính là những phản ứng tổng hợp hạt nhân sinh năng lượng trong các sao và giúp ngôi sao duy trì trạng thái cân bằng áp suất và lực hút hấp dẫn. Đối với các hạt nhân nặng hơn, năng lượng liên kết trên một nucleon trong hạt nhân bắt đầu giảm. Điều này làm cho phản ứng tổng hợp sinh ra hạt nhân với nguyên tử số Z > 26 và số nucleon cao hơn 60, là phản ứng thu nhiệt. Những hạt nhân nặng này không thể tham gia phản ứng tổng hợp sinh năng lượng giúp cho quá trình cân bằng thủy tĩnh của sao được ổn định.