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. Protonissa on kaksi u-kvarkkia ja yksi d-kvarkki. Neutronin kvarkkirakenne on päinvastainen: kaksi d-kvarkkia ja yksi u-kvarkki. Eri kvarkkeja tarkastellaan lähemmin luvussa 5.1 Standardimalli.

Kvarkkien välillä on vahva vuorovaikutus, jolla on merkitystä vain hyvin lyhyillä etäisyyksillä. Vahva vuorovaikutus sitoo kvarkit toisiinsa erittäin pysyviksi kahden tai kolmen kvarkin kokonaisuuksiksi. 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 puoleensavetävä voima pienenee nopeasti. Tietyllä etäisyydellä vahvan vuorovaikutuksen aikaansaama vetovoima kumoaa sähköisen vuorovaikutuksen aiheuttaman hylkimisen, ja nukleonit sitoutuvat toisiinsa muodostaen atomiytimiä. Koska vahva vuorovaikutus kuitenkin heikkenee nopeammin kuin sähkömagneettinen vuorovaikutus etäisyyden kasvaessa, se ei pidä 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. Kuvassa on esitetty kahden protonin väliset voimat etäisyyden suhteen.