Rutherfordin sirontakokeet osoittivat, että positiivinen varaus ja lähes koko massa ovat pienessä ytimessä. Myöhemmät elektronisironta- ja spektroskopiakokeet tarkensivat ydinkokoa ja elektronitiloja. Atomin rakenne ei siis perustu vain mallikuvaan, vaan eri mittaukset testaavat sen eri osia.
Tiede jää mieleen, kun määritelmä yhdistyy johonkin mitattavaan tai havaittavaan.
Atomi koostuu hyvin pienestä positiivisesta ytimestä ja sitä ympäröivästä elektronipilvestä. Protoniluku Z määrää alkuaineen, neutronit muuttavat isotooppia ja elektronien määrä määrää neutraalin atomin tai ionin varauksen. Elektroneja ei kuvata klassisina planeettoina vaan kvanttitiloina.
Atomin tyypillinen mittakaava on noin 10⁻¹⁰ m, kun ytimen säde on noin 10⁻¹⁵ m. Ydin vie siis äärimmäisen pienen osan tilavuudesta mutta sisältää lähes koko massan. Elektronipilvellä ei ole kovaa ulkoreunaa, vaan todennäköisyystiheys pienenee asteittain etäisyyden kasvaessa.
Protonin varaus on +e, elektronin −e ja neutroni on sähköisesti neutraali. Jos protonien määrä muuttuu, alkuaine vaihtuu. Jos neutronien määrä muuttuu, saadaan saman alkuaineen eri isotooppi. Elektronien lisääminen tai poistaminen tuottaa ionin muuttamatta ydintä.
Protonit hylkivät toisiaan Coulombin voimalla, mutta ydinmittakaavassa vahva vuorovaikutus sitoo protonit ja neutronit. Raskaissa ytimissä sähköinen hylkiminen kasvaa ja vakaa neutroni-protoni-suhde muuttuu, mikä selittää osan radioaktiivisuudesta.
Elektronin tila kuvataan aaltofunktiolla ja kvanttiluvuilla. Orbitaali kertoo tilajakaumasta ja energiasta, ei tarkasta radasta. s-, p-, d- ja f-orbitaalien muodot ja energiat seuraavat kvanttimekaniikasta ja muodostavat perustan jaksolliselle järjestelmälle.