Im Jahr 1909 baute der in Neuseeland geborene Physiker Ernest Rutherford in Manchester ein Experiment auf, dessen Ergebnis er für unauffällig hielt. Er schoss einen Strahl von Alphateilchen (Heliumkernen) auf eine dünne Goldfolie und maß, wie die Teilchen abgelenkt wurden. Das damals herrschende Rosinenkuchenmodell des Atoms (J. J. Thomson, 1904) hielt das Atom für eine diffuse positive Kugel mit eingebetteten Elektronen wie Rosinen; Alphateilchen sollten mit minimaler Ablenkung hindurchgehen. Die meisten taten es. Doch eines von achttausend prallte fast geradewegs zurück. Rutherford erinnerte sich an den Augenblick als das unglaublichste Ereignis meines Lebens. „Es war, als hätte man eine 15-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier gefeuert, und sie wäre zurückgekommen und hätte einen getroffen.“ Der Schluss war unausweichlich: das Atom hat einen winzigen dichten Kern, in dem nahezu die ganze Masse und positive Ladung steckt, während die Elektronen in großem Abstand umlaufen. Der Kern, so rechnete Rutherford, ist rund hunderttausendmal kleiner als das Atom. Atome sind im Wesentlichen leerer Raum.
Ein Atom besteht aus einem winzigen dichten Atomkern (aus Protonen und Neutronen, zusammen Nukleonen genannt) der Größe rund 10⁻¹⁵ m, umgeben von einer Elektronenhülle der Größe rund 10⁻¹⁰ m. Fast die ganze Masse steckt im Kern (ein Proton ist rund 1836-mal schwerer als ein Elektron); fast die ganze Größe steckt in der Elektronenhülle. Die Nukleonen werden durch die starke Wechselwirkung gebunden (sie hält die Protonen gegen ihre gegenseitige elektromagnetische Abstoßung zusammen); die Elektronen werden durch die elektromagnetische Anziehung des Kerns gehalten. Die Anzahl der Protonen (die Ordnungszahl Z) bestimmt das chemische Element. Die Anzahl der Neutronen kann variieren und ergibt Isotope desselben Elements. Bohrs Atommodell (1913) — eine Übergangstheorie vor der vollen Quantenmechanik — hatte Elektronen auf quantisierten Kreisbahnen mit diskret erlaubten Radien und Energien und erklärte damit das Linienspektrum des Wasserstoffs. Das volle quantenmechanische Bild, aufgebaut aus Lösungen der Schrödingergleichung im Coulomb-Potential, ersetzt Bahnen durch Orbitale — dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsdichten für den Aufenthaltsort des Elektrons. Jedes Orbital wird durch Quantenzahlen charakterisiert: die Hauptquantenzahl n (Energiestufe: 1, 2, 3, …), die Drehimpulsquantenzahl l (Form: s, p, d, f, …), die magnetische Quantenzahl m_l (Orientierung) und die Spinquantenzahl m_s (intrinsischer Drehimpuls: ±½). Das Pauli-Ausschlussprinzip (1925) — keine zwei Elektronen können denselben Quantenzustand einnehmen — zwingt die Elektronen in aufeinanderfolgende Schalen wachsender Energie. Die erste Schale fasst 2 Elektronen (1s); die zweite 8 (2s, 2p); die dritte 18 (3s, 3p, 3d); und so weiter. Diese Schalenstruktur ist es, die dem Periodensystem seine Zeilen und Spalten gibt. Hundsche Regel, Aufbauprinzip, Madelung-Regel — die empirischen Muster der Auffüllreihenfolge — folgen daraus unmittelbar. Die Spektroskopie (die Lehre der von Atomen ausgesandten und absorbierten Wellenlängen) ist eine Präzisionssonde der Orbitalstruktur und das Fundament der analytischen Chemie, der Astrophysik und der Atomuhren.
Die Atomstruktur ist die Brücke zwischen Physik und Chemie. Das Periodengesetz — schon im System angelegt — folgt unmittelbar aus der Schalenstruktur. Materialwissenschaft, Halbleiterentwurf, Wirkstoffentwicklung, Biochemie — alles ruht auf einem Verständnis auf atomarer Ebene. Atomuhren (Cäsium-Uhren definieren die SI-Sekunde; moderne optische Gitteruhren sind rund 10¹⁸-mal präziser) nutzen ultrastabile atomare Übergänge. Massenspektrometrie identifiziert Moleküle anhand ihrer Isotopenzusammensetzung; Röntgenkristallographie und Elektronenmikroskopie bilden atomare Anordnungen unmittelbar ab. Nuklearmedizin nutzt radioaktive Isotope für Diagnose (PET, SPECT) und Behandlung (Strahlentherapie). Kernkraft und Kernwaffen zapfen die Kernbindungsenergien durch Spaltung und Fusion an. Der winzige Kern, den Rutherford 1909 erspähte, ist das Zentrum eines Turms nachfolgender Wissenschaft.