原子核（atomic nucleus）位于原子的核心部分，占了99.96%以上原子的质量，与周围围绕的电子组成原子。原子核由质子和中子构成。而质子又是由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是则由两个下夸克和一个上夸克组成。原子核极小，它的直径在10-15m至10-14m之间，体积只占原子体积的几千亿分之一。如果将原子比作地球，那么原子核相当于棒球场大小，而核内的夸克及电子只相当于棒球大小。原子核的密度极大，约为1017kg/m3。原子核内部结构可由核壳层模型部分描述，当质子或核子分别从各自最低壳层向上填充时，若正好填满某一个壳层，则称为质子或中子幻数，此时的核称为幻核。[1]
构成原子核的质子和中子之间存在介子，以传递原子核内巨大的吸引力—强力，强力比电磁力强137倍，故能克服质子之间所带正电荷的电磁斥力而结合成原子核。原子核的能量极大，当原子核发生裂变（重原子核分裂为两个或更多的核）或聚变（轻原子核相遇时结合成为重核）时，会释放出巨大的原子核能，即原子能（例如核能发电）。质子和中子及介子由价夸克（组分夸克）及海夸克（流夸克）组成，夸克亦有层层（壳）结构，外层为横向连接的价夸克，内层为纵向叠加的海夸克，而外层为3个横向连接的束缚态价夸克。价夸克按比例（2个上型夸克带+2/3电荷，1个下型夸克带-1/3电荷）分掉质子（或3夸克超子）内的整数电荷，故夸克带分数电荷。纵向叠加的海夸克正负电荷相抵=零，原子内带正电荷的质子与带负电荷的电子数量相同，故整个原子呈电中性。[1]
1912年英国科学家卢瑟福根据α粒子轰击金箔的实验中，绝大多数α粒子仍沿原方向前进，少数α粒子由于撞击到了电子发生较大偏转，个别α粒子偏转超过了90°，有的α粒子由于撞上原子核所以偏转方向甚至接近180°。该试验事实确认了：原子内含有一个体积小而质量大的带正电的中心，这就是原子核模型的来历。
原子半径很小，质子间库仑斥力很大，但原子核却很稳定。所以原子核里质子间的除了库仑斥力外还有核力。只有在2.0×10-15m的短距离内才能起到作用。核子之间的核力，是一种比电磁作用大得多的相互作用，质子和质子之间、质子和中子之间、中子和中子之间都存在。