原子核是原子中心非常致密的小球体，直径只有原子直径十万分之一左右。比如氢原子核直径约1飞米，原子核直径约7飞米，整体呈球状或近似球状。这个发现源自1911年卢瑟福做的α粒子散射实验，当时他用铅盒包裹金箔，让α粒子穿过时发现大部分直接穿过，只有约千分之一的α粒子发生大角度偏转，这说明原子内部大部分是空旷的，而中心存在一个质量集中、体积极小的核。

为什么原子核这么小又致密呢？这跟核子（质子和中子）之间的强相互作用力有关。根据实验数据，原子核密度大约是水的10^14倍，相当于每立方厘米能塞进2.3亿吨物质。比如1克-238的原子核体积只有约0.0001立方厘米，但质量却占整个原子的99.99%。卢瑟福实验测得α粒子偏转角度超过90度的概率，通过计算公式得出原子核半径公式R=1.2A^(1/3)飞米（A是质量数）。现代质子回旋加速器测得质子半径约0.84飞米，中子与质子半径基本一致。这种极小体积内集中超过90%原子质量的现象，只能用原子核模型来解释。