Cấu trúc và kí hiệu hạt nhân

Nếu nguyên tử là một khối đặc và điện tích dương phân bố đều, chùm hạt $α$ khó có thể vừa đi xuyên qua gần hết, vừa có một số hạt lệch góc rất lớn. Vì phần lớn hạt $α$ đi thẳng, có thể kết luận phần lớn thể tích nguyên tử là khoảng trống. Vì một số rất ít hạt bị đẩy lệch mạnh, điện tích dương và gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử phải tập trung trong một vùng rất nhỏ ở tâm: **hạt nhân**. Electron chuyển động trong vùng không gian xung quanh hạt nhân. Kích thước hạt nhân chỉ vào cỡ femtomet, nhỏ hơn kích thước nguyên tử nhiều bậc. Nói nguyên tử phần lớn là khoảng trống không có nghĩa nguyên tử không có hạt nhân; trái lại, chính các hạt lệch mạnh cho thấy hạt nhân tồn tại và mang điện dương.

Hạt nhân gồm proton và neutron; hai loại hạt này được gọi chung là **nucleon**. Một hạt nhân của nguyên tố $X$ được viết dưới dạng $$^{A}_{Z}X.$$ Trong đó, $Z$ là số proton và cũng là số hiệu nguyên tử; $A$ là tổng số nucleon, gọi là số khối. Vì vậy số neutron là $$N=A-Z.$$ Điện tích hạt nhân bằng $+Ze$. Với nguyên tử trung hòa, số electron cũng bằng $Z$, nhưng electron không nằm trong hạt nhân. Cần phân biệt số khối $A$ — một số nguyên dùng để đếm nucleon — với khối lượng chính xác của hạt nhân tính bằng đơn vị u.

Các hạt nhân có cùng $Z$ thuộc cùng một nguyên tố. Nếu chúng có số neutron khác nhau thì $A$ cũng khác nhau; đó là các **đồng vị** của nguyên tố ấy. Như vậy, khi nhận biết đồng vị, cần so sánh số proton trước, không chỉ nhìn vào số khối. Không phải mọi đồng vị đều phóng xạ.