اگرچه نام انگلیسی اتم (اتم) به عنوان کوچکترین ذراتی در نظر گرفته شده است که نمی توان آن را بیشتر تقسیم کرد، با توسعه علم، اتم ها از الکترون ها، پروتون ها، و نوترون ها تشکیل شده اند (اتم های هیدروژن از پروتون ها و الکترون ها تشکیل شده اند). در مجموع به ذرات زیر اتمی گفته می شود. تقریباً تمام اتم ها حاوی سه ذرات زیر اتمی بالا هستند، اما پروتیوم (ایزوتوپ هیدروژن) نوترون ندارد و یوون آن (پس از از دست دادن یک الکترون) فقط یک پروتون است.
پروتون بار مثبتی دارد و جرم آن ۱۸۳۶ برابر جرم الکترون است که ۱٫۶۷۲۶×۱۰⁻²⁷ کیلوگرم است. با این حال بخشی از جرم را می توان به انرژی اتصال اتمی تبدیل کرد. نوترون ها هیچ بار، و جرم نوترون های آزاد ۱۸۳۹ برابر جرم الکترون ها است که ۱٫۶۹۲۹×۱۰⁻²⁷ کیلوگرم است. اندازه های نوترون ها و پروتون ها هم به ترتیب ۲٫۵×۱۰⁻⁵ متر مشابه هستند، اما سطوح آن ها به طور دقیق تعریف نشده است.
اگرچه اتم ها کوچک هستند، اما نمی توان آن ها را با روش های شیمیایی زیر تقسیم کرد، اما باز هم می توان آن ها را با روش های دیگر زیر تقسیم کرد، زیرا اتم ها ترکیب خاصی نیز دارند. اتم ها از یک هسته با بار مثبت در مرکز و الکترون های دارای بار منفی در خارج از هسته (مخالف پادماتر) تشکیل شده اند. هسته از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است. الکترون ها با سرعت های بالا در فضای بزرگتری در خارج از هسته حرکت می کنند.
در نظریه مدل استاندارد فیزیک، هم پروتون ها و هم نوترون ها از ذرات ابتدایی تشکیل شده اند که کوارک نامیده می شوند. کوارک نوعی فرمیون و یکی از دو جزء اساسی ماده است. جزء اساسی دیگر لپتون نامیده می شود، و الکترون ها نوعی لپتون هستند. شش نوع کوارک وجود دارد که هر کدام دارای بار کسری هستند، یا +۲/۳ یا -۱/۳. یک پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است، در حالی که یک نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده است. این تفاوت دلیل متفاوت بودن بار و جرم نوترون ها و پروتون ها را توضیح می دهد. کوارک ها با تعاملات قوی در کنار هم نگه داشته می شوند و با میانجی گری گلوئن ها انجام می شوند. گلوئون عضو بوزون هنجاری است، نوعی ذرات ابتدایی که برای انتقال نیرو استفاده می شود.
ذرات زیر اتمی دارای ویژگی های کوانتیزاسیون و دوگانگی موج-ذرات هستند. فرمول به این صورت بیان می شود: λ=h/p=h/mv، که در آن λ طول موج است، p تکانه است، و h ثابت پلانک (۶٫۶۲۶×۱۰⁻⁻ j است⁴ J· S)