Elektronen lassen sich relativ leicht aus einem Atom entfernen (man spricht von Ionisierung), alleine schon deshalb ist ein Atom nicht wirklich "unteilbar". Aber auch der Kern lässt sich weiter zerlegen: zunächst stellt man fest, dass er aus zwei verschiedenen Arten von Teilchen besteht, den Protonen und den Neutronen. Während Neutronen elektrisch neutral sind, tragen Protonen eine positive Ladung. In einem nicht ionisierten Atom gibt es genau gleich viel (negativ geladene) Elektronen in der Hülle wie Protonen im Kern - diese Anzahl ist die Ordnungszahl des Atoms und bestimmt damit, um welches Element es sich dabei handelt. Es stellt sich heraus, dass ein Kern, der nur aus Protonen besteht, nicht stabil wäre, deswegen werden als "Kitt" auch immer umso mehr Neutronen benötigt, je mehr Protonen ein Kern enthält.

Während nach heutigem Wissensstand Elektronen nicht weiter zerlegbar sind (und damit ein erstes Beispiel für echte Elementarteilchensind), verhielten sich Protonen (und auch Neutronen) im Experiment so, als ob in ihrem Inneren noch weitere, kleinere Bausteine wären. Trotzdem gelang es nie, Protonen in diese Bausteine zu zerlegen. Heute wissen wir, dass es diese kleinen Bausteine tatsächlich gibt - jedes Proton bzw. Neutron besteht aus je drei Quarks. Und wir verstehen sogar den Grund, wieso es prinzipiell nicht gelingen kann, einzelne Quarks aus einem Proton herauszulösen - dazu später mehr im Abschnitt Elementarteilchen. Dort zeigt sich auch, dass es wesentlich mehr Elementarteilchen gibt als jene, aus denen sich unsere Alltagswelt zusammensetzt.

Der eben erwähnte Abschnitt Elementarteilchen beschreibt im Überblick unser heutiges Wissen über die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen, das sog. Standardmodell. Faszinierenderweise stellt sich heraus, dass beim Blick ins Allerkleinste auch das Allergrößte eine Rolle spielt - diese Zusammenhänge werden im Abschnitt Kosmologie diskutiert.