Elementos constitutivos de la materia
Un cubo de oro macizo de 1 kg tiene una longitud de aproximadamente 3,73 cm por lado. Si el cubo se corta por la mitad, las dos piezas resultantes conservan su identidad química. Pero ¿qué sucede si las piezas del cubo se cortan una y otra vez, indefinidamente? Los filósofos griegos Leucipo y Demócrito no podían aceptar la idea de que tal corte pudiera continuar para siempre. Especulaban que el proceso finalmente terminaría cuando produjera una partícula que ya no pudiera cortarse. En griego, átomos significa «no divisible». De este término proviene nuestra palabra «átomo», que en su momento se creyó que era la partícula más pequeña de la materia, pero que posteriormente se descubrió que es un compuesto de partículas más elementales.
El átomo puede visualizarse, de forma simplista, como un sistema solar en miniatura, con un núcleo denso y con carga positiva que ocupa la posición del Sol y electrones con carga negativa que orbitan como planetas. Este modelo atómico, desarrollado por primera vez por el gran físico danés Niels Bohr hace casi un siglo, permitió comprender ciertas propiedades de los átomos más simples, como el hidrógeno, pero no logró explicar muchos detalles de la estructura atómica.
Observe el tamaño de un átomo de hidrógeno, que se muestra en la Tabla 1, y el tamaño de un protón —el núcleo de un átomo de hidrógeno— cien mil veces menor. Si el protón tuviera el tamaño de una pelota de ping-pong, el electrón sería una partícula diminuta, del tamaño aproximado de una bacteria, orbitando alrededor del protón a un kilómetro de distancia. Otros átomos tienen una estructura similar. Por lo tanto, existe una sorprendente cantidad de espacio vacío en la materia ordinaria.
Tras el descubrimiento del núcleo a principios del siglo XX, surgieron interrogantes sobre su estructura. Si bien la estructura del núcleo sigue siendo un área de investigación activa incluso hoy en día, a principios de la década de 1930 los científicos determinaron que dos entidades básicas — protones y neutrones— lo componen. El protón es el portador de carga positiva más común en la naturaleza, con una magnitud igual pero signo opuesto a la carga del electrón. El número de protones en un núcleo determina el elemento al que pertenece. Por ejemplo, un núcleo con un solo protón es el núcleo de un átomo de hidrógeno, independientemente del número de neutrones presentes. Los neutrones adicionales corresponden a diferentes isótopos de hidrógeno —deuterio y tritio—, que reaccionan químicamente de la misma manera que el hidrógeno, pero son más masivos. De igual modo, un átomo con dos protones en su núcleo es siempre helio, aunque, de nuevo, es posible que tenga un número diferente de neutrones.
La existencia de los neutrones se verificó de forma concluyente en 1932. Un neutrón no tiene carga y su masa es aproximadamente igual a la de un protón. Excepto el hidrógeno, todos los núcleos atómicos contienen neutrones, los cuales, junto con los protones, interactúan mediante la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza se opone a la fuerza eléctrica fuertemente repulsiva de los protones, que de otro modo provocaría la desintegración del núcleo.
La división no termina aquí; numerosas evidencias a lo largo de los años indican que los protones, neutrones y una gran variedad de otras partículas exóticas están compuestos por seis partículas llamadas quarks. A estas partículas se les ha dado los nombres de arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y cima.
Los quarks arriba, encanto y cima tienen cada uno una carga igual a 
la del protón, mientras que los quarks abajo, extraño y fondo tienen cada uno una carga igual a 
la del protón. El protón consta de dos quarks arriba y un quark abajo (véase la figura 1), lo que da como resultado la carga correcta para el protón, 
. El neutrón está compuesto por dos quarks abajo y un quark arriba, y tiene una carga neta de cero.
Los quarks arriba y abajo son suficientes para describir toda la materia ordinaria, por lo que la existencia de los otros cuatro quarks, observados indirectamente en experimentos de alta energía, sigue siendo un misterio. A pesar de las sólidas evidencias indirectas, nunca se ha observado un quark aislado. Por consiguiente, la posible existencia de más partículas fundamentales sigue siendo puramente especulativa.