Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista. Protoni on sähkövaraukseltaan positiivinen, yhden alkeisvarauksen suuruinen. Neutronit ovat sähkövaraukseltaan neutraaleja. Näin ollen atomiytimen sähkövaraus on positiivinen, ja protonien lukumäärä määrää alkuaineen. Esimerkiksi hiiliatomeissa on kuusi protonia.

Atomiytimen ympärillä on negatiivisesti varattuja elektroneja. Yhden elektronin varaus on alkeisvarauksen suuruinen. Atomissa on aina yhtä monta elektronia kuin protonia. Siten atomit ovat sähköisesti neutraaleja hiukkasia.

Ennen kvanttimekaniikkaa ei pystytty selittämään, miten atomi voi olla olemassa. Negatiivisten elektronien kuviteltiin kiertävän positiivista atomiydintä Coulombin voiman vetäessä niitä keskelle, samaan tapaan kuin planeetat kiertävät Aurinkoa gravitaatiovoiman vetäminä. Ympyräradalla olevat kappaleet ovat kuitenkin kiihtyvässä liikkeessä. Sähkömagnetismin teoriasta tiedetään, että kiihtyvässä liikkeessä olevat sähkövaraukset lähettävät sähkömagneettista säteilyä. Näin ollen elektronin pitäisi menettää energiaansa ja pudota atomiytimeen.

Kvanttimekaniikan avulla ymmärrettiin, että elektronit eivät käyttäydy pistemäisinä hiukkasina. Ne eivät kierrä ydintä, vaan ovat sen ympärillä muodostaen elektronipilven. Elektronin tarkkaa paikkaa ei voi määrittää, mutta sen sijainnin todennäköisyysjakauma voidaan ratkaista Schrödingerin yhtälöstä. Jokainen saatu todennäköisyysjakauma vastaa tiettyä energiaa. Edellisen luvun hiukkanen laatikossa -esimerkin tavoin elektronin energiatilat ovat kvantittuneet, ja niille saadaan täsmälliset lukuarvot.