O núcleo é o centro de um átomo. Contém protões e neutrões, coletivamente chamados de nucleões. É minúsculo, com cerca de 1/100.000 do diâmetro do átomo, mas contém quase toda a massa. O número de protões determina o elemento. O número de neutrões determina o isótopo. O núcleo é mantido unido pela força nuclear forte, que supera a repulsão eletrostática entre os protões.

O núcleo atómico foi descoberto por Ernest Rutherford em 1911, através da experiência da folha de ouro. Disparou partículas alfa contra uma fina folha de ouro e descobriu que algumas delas ricocheteavam. Isto significava que a carga positiva estava concentrada num volume minúsculo, e não espalhada por todo o átomo. A descoberta mudou o modelo do átomo, transformando-o de um pudim de ameixa para um sistema planetário.

O núcleo não é estático. Pode sofrer decaimento radioativo, emitir partículas e dividir-se em fissão. Pode fundir-se com outros núcleos em fusão nuclear. Estas reações nucleares libertam enormes quantidades de energia, muito mais do que as reações químicas. É por isso que a energia nuclear e as armas nucleares são tão poderosas.

O núcleo é também um sistema quântico. Os protões e os neutrões não são esferas simples. São compostos por quarks, mantidos unidos por gluões. A força forte é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Compreender o núcleo é um objetivo central da física nuclear.