Nguyên tử bao gồm proton, neutron và electron. Proton mang điện tích dương và nằm trong nhân nguyên tử. Neutron không mang điện tích và cũng nằm trong nhân. Electron mang điện tích âm và nằm xung quanh nhân trong vỏ electron. Các electron được phân bố vào các vỏ khác nhau và mỗi vỏ có thể chứa số lượng electron khác nhau. Cấu trúc nguyên tử xác định tính chất hóa học và là cơ sở cho các phản ứng và quá trình liên quan đến nguyên tử.

Proton là một thành phần chính của nguyên tử, có khối lượng xấp xỉ 1,007 Da và điện tích dương. Số lượng proton trong một nguyên tử được gọi là số hiệu nguyên tử (Z) và xác định tính chất hóa học của nguyên tử. Proton còn có bán kính khoảng 0,87 fm và tính chất từ trường. Số lượng proton trong một nguyên tử có thể tính bằng số hiệu nguyên tử (Z), ví dụ như nguyên tử carbon có 6 proton. Sự thay đổi số lượng proton sẽ tạo ra một nguyên tố khác.

Neutron là một thành phần cơ bản của nguyên tử, không mang điện tích, có khối lượng gần bằng proton và có khả năng gắn vào nhân nguyên tử. Số lượng neutron trong một nguyên tử được tính bằng cách trừ số lượng proton từ khối lượng nguyên tử. Neutron đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định nhân nguyên tử bằng cách giữ các proton lại với nhau bằng lực hấp dẫn hạt nhân. Ngoài ra, neutron cũng có vai trò quan trọng trong các phản ứng hạt nhân và được sử dụng trong các ứng dụng về năng lượng như trong các lò phản ứng hạt nhân để tạo ra năng lượng điện.

Electron là một thành phần trong nguyên tử, cùng với proton và neutron. Electron có điện tích âm và nhẹ hơn proton và neutron. Tính chất của electron gồm động năng, khối lượng, quỹ đạo di chuyển và spin. Số lượng electron trong một nguyên tử được xác định bởi số lượng proton trong hạt nhân. Khi nguyên tử ở trạng thái cân bằng, số lượng electron bằng số lượng proton. Electron tồn tại trong các vỏ electron, mỗi vỏ chứa một số lượng electron nhất định. Vỏ electron bên ngoài cùng được gọi là vỏ valen, chứa electron tham gia vào liên kết hóa học và quyết định tính chất hóa học của nguyên tử. Vị trí của electron trong vỏ electron được xác định bởi số lượng và năng lượng của electron. Electron ở vỏ năng lượng cao có thể bị ion hóa và mất khỏi nguyên tử, trong khi electron ở vỏ năng lượng thấp hơn có thể di chuyển đến vị trí năng lượng cao hơn bằng cách hấp thụ năng lượng. Trong vật lý hạt nhân, electron được coi là một hạt riêng biệt. Tuy nhiên, trong hóa học và các ứng dụng liên quan đến nguyên tử, electron thường được xem như một đám mây điện tử mịn màng bao quanh hạt nhân.

Số nguyên tử và số hiệu nguyên tử là hai khái niệm quan trọng trong hóa học. Số nguyên tử là số proton trong nhân nguyên tử, ký hiệu là Z, xác định tính chất hóa học. Số hiệu nguyên tử là tổng số proton và neutron trong nhân nguyên tử, ký hiệu là A. Số electron trong nguyên tử tính bằng cách trừ số electron khỏi số proton. Tên nguyên tố hóa học dựa trên số hiệu nguyên tử. Đầu tiên, xác định số proton của nguyên tử, sau đó xác định số electron và cuối cùng xác định số neutron. Ví dụ, nguyên tử hidro có số nguyên tử là 1 và số hiệu nguyên tử là 1, nghĩa là có một proton và một electron. Nguyên tử carbon có số nguyên tử là 6 và số hiệu nguyên tử là 12, nghĩa là có sáu proton, sáu electron và sáu neutron. Cách đọc tên nguyên tố hóa học theo thứ tự tăng dần số nguyên tử, theo tiêu chuẩn quốc tế. Ví dụ, nguyên tử số 1 gọi là hydrogen, số 2 gọi là helium, số 3 gọi là lithium và tiếp tục như vậy. Những kiến thức cơ bản về số nguyên tử và số hiệu nguyên tử rất quan trọng để hiểu tính chất cấu trúc của nguyên tử và phân tử.

Khối lượng nguyên tử là khối lượng của một nguyên tử của một nguyên tố, được tính bằng đơn vị "đơn vị khối nguyên tử" (amu). Một đơn vị khối nguyên tử bằng 1/12 khối lượng của nguyên tử carbon-12. Khối lượng riêng là khối lượng của một chất trên một đơn vị thể tích của chất đó, được đo bằng g/cm³ hoặc kg/m³. Các phương pháp đo khối lượng nguyên tử và khối lượng riêng bao gồm phổ hấp thụ và phân tích nguyên tử. Điều này giúp cho việc đo lường và nghiên cứu tính chất của các nguyên tố và hợp chất hóa học trở nên dễ dàng hơn.

Khối lượng nguyên tử trung bình của một nguyên tố là trung bình cộng của khối lượng nguyên tử của các đồng vị của nguyên tố đó, được tính với trọng số phần trăm của mỗi đồng vị. Nó được sử dụng để xác định các tính chất của nguyên tử, bao gồm các tính chất vật lý, hóa học và năng lượng ion hóa. Khối lượng nguyên tử trung bình ảnh hưởng đến mật độ electron trong nguyên tử và do đó ảnh hưởng đến năng lượng ion hóa. Các nguyên tử có khối lượng nguyên tử trung bình lớn hơn có năng lượng ion hóa cao hơn, trong khi các nguyên tử có khối lượng nguyên tử trung bình nhỏ hơn có năng lượng ion hóa thấp hơn và tính khí mạnh hơn. Do đó, khối lượng nguyên tử trung bình là một thuộc tính quan trọng và có ảnh hưởng lớn đến tính chất của nguyên tử, đặc biệt là tính chất hóa học và năng lượng ion hóa.

Tính chất khối lượng riêng là quan trọng trong hóa học. Khối lượng riêng của nguyên tố so với nước xác định xem nó chìm hay nổi trên nước. Khối lượng riêng có thể ảnh hưởng đến tính chất khác của nguyên tử và hợp chất hóa học. Cách tính khối lượng riêng là chia khối lượng nguyên tử cho khối lượng riêng của nước. Đơn vị đo là g/cm3 hoặc kg/m3. Khối lượng riêng cũng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất, vì vậy cần đo ở cùng điều kiện. Tính chất khối lượng riêng đã được sử dụng để xác định các nguyên tố và trong phân tích hóa học.

Các phương pháp đo khối lượng nguyên tử và khối lượng riêng là quan trọng trong nghiên cứu tính chất của nguyên tố và hợp chất hóa học. Phương pháp đo bằng phổ hấp thụ dựa trên sự hấp thụ của nguyên tử hoặc ion trong mẫu với ánh sáng. Ánh sáng bị hấp thụ khi đi qua mẫu và tạo ra mức năng lượng mới cho nguyên tử hoặc ion. Phương pháp đo bằng phân tích nguyên tử sử dụng phương pháp vật lý hoặc hóa học để phân giải nguyên tử hoặc ion trong mẫu và đo khối lượng. Cả hai phương pháp đều có ưu điểm và hạn chế riêng, tùy thuộc vào mục đích và tính chất của mẫu. Tuy nhiên, cả hai đều là công cụ quan trọng trong nghiên cứu tính chất của nguyên tử và hợp chất hóa học.

Bán kính nguyên tử là khoảng cách từ trung tâm hạt nhân đến lớp electron ngoài cùng của nguyên tử. Nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất của nguyên tử như khối lượng, năng lượng ion hóa, khả năng tạo liên kết hóa học và tính kim loại. Cách tính bán kính nguyên tử phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử. Trong nguyên tử đơn giản, bán kính tăng khi số electron tăng và giảm khi số proton tăng. Tuy nhiên, trong nguyên tử phức tạp hơn, bán kính còn phụ thuộc vào năng lượng electron và thu hút của lớp electron ngoài cùng đối với hạt nhân. Bán kính cũng ảnh hưởng đến tính chất vật lý như nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi. Các nguyên tử có bán kính lớn hơn có năng lượng liên kết yếu hơn và dễ dàng ion hóa hoặc tạo liên kết hóa học với các nguyên tử khác. Hiểu và tính toán bán kính nguyên tử là cần thiết để dự đoán và giải thích các tính chất của nguyên tử và phân tử.

Năng lượng ion hóa là năng lượng cần để loại bỏ một electron từ một nguyên tử. Công thức tính năng lượng ion hóa là E = -RH/n^2, với E là năng lượng ion hóa, RH là hằng số Rydberg, n là số lượng electron còn lại sau khi electron bị loại bỏ. Năng lượng ion hóa cao thì nguyên tử khó mất electron và ngược lại. Điều này ảnh hưởng đến khả năng tạo liên kết hóa học của nguyên tử. Nếu năng lượng ion hóa cao, nguyên tử ít tham gia vào các phản ứng hóa học. Năng lượng ion hóa cũng ảnh hưởng đến tính chất vật lý như điểm nóng chảy và điểm sôi. Nguyên tử có năng lượng ion hóa cao thì có điểm nóng chảy và điểm sôi cao hơn. Năng lượng ion hóa còn quyết định tính chất điện ly của chất. Chất có năng lượng ion hóa thấp thì là chất điện ly tốt và ngược lại. Năng lượng ion hóa là tính chất quan trọng của nguyên tử và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ.

Điện tích hóa trị là số điện tử trong vỏ điện tử, quyết định tính chất hóa học của nguyên tử. Cách tính điện tích hóa trị là bằng số điện tử trong vỏ điện tử. Điện tích hóa trị ảnh hưởng đến khả năng tạo liên kết hóa học và tính khử oxy hóa của nguyên tử. Những nguyên tử có điện tích hóa trị thấp hơn dễ dàng tạo liên kết và có khả năng khử oxy hóa cao hơn. Ngược lại, những nguyên tử có điện tích hóa trị cao hơn khó tạo liên kết và khử oxy hóa. Ví dụ, nguyên tử carbon có điện tích hóa trị là 4 và oxy là 6. Điện tích hóa trị là yếu tố quyết định tính chất hóa học của nguyên tử.

Tần số phát xạ là số lần mà nguyên tử phát ra bức xạ trong một đơn vị thời gian. Các nguyên tử có tính chất phát xạ khác nhau, vì vậy tần số phát xạ cũng khác nhau. Tần số phát xạ được tính bằng tỉ lệ giữa số lượng nguyên tử phát xạ và tổng số nguyên tử trong mẫu. Ứng dụng của tần số phát xạ rất rộng, như trong y học hạt nhân, nghiên cứu vật liệu, phân tích nguyên tử và phân tích hóa học. Bằng cách phân tích tần số phát xạ, ta có thể xác định thành phần và tính chất của mẫu, như độ tinh khiết của vật liệu hoặc phân loại các chất khác nhau. Tần số phát xạ cũng được sử dụng trong các thiết bị điện tử như đồng hồ điện tử và viễn thông.

Tính chất hóa học của nguyên tử quan trọng để hiểu tính chất của nguyên tố và phân tử. Khả năng tạo liên kết hóa học của nguyên tử phụ thuộc vào cấu trúc electron, đặc biệt là số electron trên lớp năng lượng bên ngoài. Các nguyên tố có số electron trên lớp năng lượng bên ngoài giống nhau thường có tính chất hóa học tương đồng. Tính chất hóa học của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn phụ thuộc vào vị trí của chúng. Các nguyên tố có cùng cấu hình electron trên lớp năng lượng bên ngoài thường có tính chất hóa học tương đồng, trong khi các nguyên tố trong cùng chu kỳ có tính chất khác nhau. Các tính chất hóa học của nguyên tố bao gồm khả năng tạo liên kết hóa học, tính chất oxi hóa khử, tính chất acid-base và tính chất phản ứng với các chất khác. Việc hiểu về tính chất hóa học của nguyên tử là quan trọng để giải thích hiện tượng hóa học và phản ứng giữa các chất khác nhau.