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Para explicar la estructura del átomo, el físico danés Niels Bohr desarrolló en 1913 una hipótesis conocida como teoría atómica de Bohr. Bohr supuso que los electrones están dispuestos en capas definidas, o niveles cuánticos, a una distancia considerable del núcleo. La disposición de los electrones se denomina configuración electrónica.
En 1911, Rutherford propuso una visión revolucionaria del átomo. Sugirió que el átomo consistía de un pequeño y denso núcleo de partículas cargadas positivamente en el centro (o núcleo) del átomo, rodeado de un remolino de electrones. El núcleo era tan denso que las partículas alpha rebotaban en el, pero el electrón era tan pequeño, y se extendía a tan grande distancia que las partículas alpha atravesaban directamente esta área del átomo.
La mayoría del espacio ocupado por un átomo está en realidad vacío porque el electron gira a una distancia muy alejada del núcleo. Por ejemplo, si fuésemos a dibujar un átomo de hidrógeno a escala y usásemos un protón de un centímetro , el átomo del electrón giraría a una distancia de ~0.5 km del núcleo. ¡En otras palabras, el átomo sería más grande que una cancha de football!
Los átomos de diferentes elementos se distinguen entre si por el número de protones (el número de protones es constante para todos los átomos de un elemento, el número de neutrones y de electrones puede variar bajo cierta circunstancias). Para identificar esta importante característica del átomo, se usa el término número atómico (z) para describir el número de protones en un átomo. Por ejemplo, z = 1 para el hidrógeno y z = 2 para el helio.
Otra importante caractéristica del átomo es su peso o su masa atómica. El peso de un átomo está aproximadamente determinado por el número total de protones y de neutrones en el átomo. Mientras que los protones y los neutrones son más o menos del mismo tamaño, el electrón es más de 1,800 veces más pequeño que estos dos. Es así que el peso del electrón es irrelevante al determinar el peso del átomo. Es como comparar el peso de una mosca al peso de un elefante.
El diámetro del núcleo del átomo de hidrógeno es de 1,6 × 10−15 metros, 145.000 veces más pequeño que el diámetro de la órbita de los electrones. Esto quiere decir que si el núcleo fuera del tamaño de una pelota de básquetbol (24,3 centímetros de diámetro) el electrón estaría orbitando a 35,3 kilómetros de distancia.