Atomiydin koostuu nukleoneista, eli positiivisesti varautuneista protoneista ja varauksettomista neutroneista. Protonit ja neutronit ovat massaltaan lähes yhtä suuret, neutroni vain hieman raskaampi. Näiden hiukkasten ei pitäisi voida muodostaa koossapysyvää rakennetta, sillä sähköisen vuorovaikutuksen takia positiivisesti varautuneet protonit hylkivät toisiaan. Ytimen koossapysymisen selittäminen edellyttää protonien ja neutronien sisäisen rakenteen tuntemista. On havaittu, että molemmat koostuvat kvarkeista. Kvarkit ovat alkeishiukkasia, eli ne eivät nykykäsityksen mukaan koostu enää pienemmistä osista. Eri kvarkkeja tarkastellaan lähemmin luvussa 6.

Ytimen nukleonit voidaan jakaa edelleen pienempiin osasiin, kvarkkeihin. Kuvassa neutronin sisäinen kvarkkirakenne: kaksi d-kvarkkia ja yksi u-kvarkki.

Kvarkkien välillä on vahva vuorovaikutus, jolla on merkitystä vain hyvin lyhyillä etäisyyksillä. Vahva vuorovaikutus sitoo kvarkit toisiinsa erittäin pysyviksi kahden tai kolmen kvarkin kokonaisuuksiksi. Esimerkiksi protoni ja neutroni ovat kolmen kvarkin muodostamia hiukkasia. Sen lisäksi, että vahva vuorovaikutus liittää yksittäiset kvarkit nukleoneiksi, se vaikuttaa jossain määrin myös vierekkäisten nukleonien kvarkkien välillä. Tästä syntyy nukleonien välille hylkivä voima niiden ollessa todella lähellä toisiaan ja puoleensavetävä voima niiden ollessa n. yhden femtometrin etäisyydellä toisistaan. Kauemmas mentäessä voima pienenee nopeasti. Optimaalisella etäisyydellä vahvan vuorovaikutuksen aikaansaama vetovoima kumoaa sähköisen vuorovaikutuksen aiheuttaman hylkimisen ja nukleonit sitoutuvat toisiinsa tälle optimietäisyydelle muodostaen atomiytimiä. Koska vahva vuorovaikutus kuitenkin heikkenee nopeammin kuin sähkömagneettinen vuorovaikutus etäisyyden kasvaessa, se ei jaksa pitää koossa miten suurta määrää tahansa nukleoneja. Suurimmissa vakaissa atomiytimissä on 244 nukleonia. Ytimissä on yleensä enemmän neutroneja kuin protoneja, koska neutronien välillä ei ole sähköistä poistovoimaa, ja vahvan vuorovaikutuksen on helpompi pitää ne yhdessä.

Kahden protonin väliset voimat. Sinisellä sähköinen vuorovaikutus, joka aiheuttaa kaikilla etäisyyksillä poistovoiman. Oranssilla vahva vuorovaikutus, jonka aiheuttama vetovoima kumoaa optimietäisyydellä sähköisen poistovoiman.