Le noyau est la partie centrale d'un atome. Il contient des protons et des neutrons, appelés collectivement nucléons. Il est minuscule, environ 1/100 000e du diamètre de l'atome, mais il concentre la quasi-totalité de sa masse. Le nombre de protons détermine l'élément. Le nombre de neutrons détermine l'isotope. La cohésion du noyau est assurée par l'interaction forte, qui surpasse la répulsion électrostatique entre les protons.

Le noyau atomique a été découvert par Ernest Rutherford en 1911, grâce à l'expérience de la feuille d'or. Il a bombardé une fine feuille d'or avec des particules alpha et a constaté que certaines étaient réfléchies. Cela signifiait que la charge positive était concentrée dans un volume infime, et non répartie dans tout l'atome. Cette découverte a transformé le modèle atomique, passant d'une représentation schématique à une représentation plus globale.

Le noyau nucléaire n'est pas statique. Il peut subir une désintégration radioactive, émettre des particules et se scinder (fission nucléaire). Il peut fusionner avec d'autres noyaux (fusion nucléaire). Ces réactions nucléaires libèrent d'énormes quantités d'énergie, bien supérieures à celles des réactions chimiques. C'est pourquoi l'énergie nucléaire et les armes nucléaires sont si puissantes.

Le noyau est lui aussi un système quantique. Les protons et les neutrons ne sont pas de simples sphères. Ils sont composés de quarks, liés entre eux par des gluons. L'interaction forte est l'une des quatre forces fondamentales de la nature. Comprendre le noyau est un objectif central de la physique nucléaire.