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Toda la materia, no importa lo maciza que parezca, está formada por bloques constructivos diminutos, que en sí son básicamente espacio vacío. Son los átomos, que
se pueden combinar para formar moléculas, las cuales a la vez se aglomeran para formar la materia que vemos a nuestro alrededor.

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Una molécula está formada por dos o más átomos unidos al compartir electrones entre sí. (Se dice que esos átomos tienen enlace covalente.) Una molécula puede ser tan sencilla como la combinación de dos átomos de oxígeno (O2) o de nitrógeno (N2), que forman la mayoría del aire que respiramos.

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Un material químicamente puro que consiste en más de un tipo de átomo se llama compuesto. Ejemplos de compuesto incluyen el agua, el amoniaco y el metano. Un compuesto es diferente de los elementos que lo forman, y tan sólo puede separarse en sus elementos constitutivos mediante procesos químicos. El sodio, por
ejemplo, es un metal que reacciona violentamente con el agua. El cloro es un gas venenoso y verdoso. No todas las sustancias reaccionan químicamente entre sí cuando se ponen en contacto. Las sustancias que se mezclan entre sí, sin combinarse químicamente, se llaman mezclas.

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Los átomos son demasiado pequeños como para poder verlos con luz visible.
Podrías conectar un conjunto de microscopios ópticos uno sobre otro y nunca “verías” un átomo, porque la luz está compuesta por ondas, y los átomos son más pequeños que las longitudes de onda de la luz visible. Como no podemos ver el interior de un átomo, formamos modelos del mismo. Un modelo es una abstracción que nos ayuda a visualizar lo que no podemos observar y lo importante es que permite realizar predicciones acerca de partes de la naturaleza que no se han visto.

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Si bien la cantidad de protones en un núcleo coincide exactamente con la cantidad de electrones entorno a él, en un átomo neutro, la cantidad de protones en el núcleo
no es necesariamente igual que la cantidad de neutrones. Hay un pequeño porcentaje que contiene un neutrón, y otro porcentaje todavía más pequeño que contiene dos neutrones.  Los átomos del mismo elemento que contienen cantidades distintas de neutrones son isótopos del elemento. Todos los distintos isótopos de un elemento tienen la misma cantidad de electrones, así que en su mayor parte se comportan en forma idéntica.  Los átomos del mismo elemento que contienen cantidades distintas de neutrones son isótopos del elemento. Todos los distintos isótopos de un elemento tienen la misma cantidad de electrones, así que en su mayor parte se comportan en forma idéntica.

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El núcleo atómico concentra casi toda la masa de un átomo, aunque sólo ocupa algunas milésimas de billonésima de su volumen. Por lo tanto, el núcleo es extremadamente denso. El principal bloque constituyente del núcleo es el nucleón, el cual a la vez está compuesto por partículas fundamentales llamadas quarks. Cuando un nucleón está en estado eléctricamente neutral, es un neutrón; cuando está en estado eléctricamente cargado es un protón. todos los protones son idénticos: unos son copias de otros. Al igual sucede con los neutrones: cada uno es idéntico a otro neutrón. Los núcleos más ligeros tienen aproximadamente la misma cantidad de protones y neutrones; los más masivos tienen más neutrones que protones. El número de protones en el núcleo está eléctricamente balanceado por un número igual de electrones que giran en torno al núcleo. El átomo mismo es eléctricamente neutro, de manera que, por lo general, no atrae ni repele a otros átomos. Sin embargo, cuando los átomos se juntan, a veces los electrones negativos
en un átomo pueden estar más cerca del núcleo positivo de otro átomo, lo cual da como resultado una atracción neta entre los átomos. Es el porque algunos átomos se combinan para formar moléculas.

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Un átomo es tantas veces menor que tú como una estrella mediana es tantas veces mayor que tú. Una buena forma de decirlo es que estamos entre los átomos
y las estrellas. O bien, otra forma es mencionar la pequeñez de los átomos: el diámetro de un átomo es al diámetro de una manzana como el diámetro de una manzana es al diámetro de la Tierra.  Los átomos son numerosos.  De manera que hay más átomos en un dedal lleno de agua que gotas de agua en los lagos y ríos del mundo. Los átomos son tan pequeños y tan numerosos que hay aproximadamente tantos átomos en el aire de tus pulmones en cualquier momento, que respiraciones de
aire en la atmósfera terrestre.

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Cuando una sustancia está compuesta por átomos del mismo tipo, decimos que
tal sustancia es un elemento. Desde luego, si una sustancia contiene sólo un tipo de átomo,
correctamente la llamamos un elemento. Un átomo de un elemento específico es
la muestra más pequeña de ese elemento. Aunque átomo y elemento a menudo
se utilizan de forma indistinta, se prefiere usar elemento cuando se refiere a cantidades macroscópicas. Por ejemplo, hablamos de aislar un átomo de mercurio de un matraz con elemento mercurio. En la actualidad se conocen más de 112 elementos. De los cuales cerca de 90 se presentan en la naturaleza. Los otros se producen en laboratorio con aceleradores atómicos de alta potencia y reactores nucleares. Tales elementos producidos en laboratorio
son muy inestables (radiactivos) para producirse de forma natural en cantidades
significativas.

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La idea de que la materia esta formada por los átomos se origina en la época de los griegos. Luego a principios del siglo XIX la idea atómica resurgió con un meteorólogo y profesor, el inglés, John Dalton, quien explicó exitosamente las reacciones químicas
proponiendo que toda la materia está formada por átomos. Sin embargo, ni él ni sus contemporáneos contaban con pruebas convincentes de tal existencia. Los átomos son invisibles por ser tan pequeños. Aunque no los pudo ver, podía ver su efecto sobre las partículas.  Todo esto lo explicó Albert Einstein en 1905, el mismo año en el que anunció su teoría de la relatividad especial. Hasta la explicación de Einstein, que hizo posible calcular las masas de los átomos, muchos físicos prominentes no creían en la existencia de los átomos.

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Los elementos se clasifican de acuerdo con la cantidad de protones que contienen sus átomos. Esa cantidad es el número atómico. El hidrógeno, que contiene un protón por átomo, tiene número atómico 1. La tabla periódica presenta los átomos de acuerdo con su número atómico y de acuerdo con su ordenamiento eléctrico. Como los renglones de un calendario que listan los días de la semana, cada elemento, de izquierda a derecha, tiene un
protón y un electrón más que el elemento previo.  La mayoría de los científicos consideran la tabla periódica como el organigrama más elegante alguna vez diseñado. Los enormes esfuerzos e ingenio humanos que se invirtieron en determinar las regularidades representadas por la tabla periódica son tema de una fascinante historia atómico-detectivesca.

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Mientras que la materia está formada por átomos con núcleos cargados positivamente, y por electrones con carga negativa, la antimateria está formada por átomos con núcleos negativos y electrones positivos, o positrones. Los positrones fueron descubiertos en 1932, en los rayos cósmicos que bombardean la atmósfera terrestre. En la actualidad, en los laboratorios a menudo se
producen antipartículas de todo tipo, usando grandes aceleradores nucleares. Un positrón tiene la misma masa que un electrón, y su carga tiene la misma magnitud, pero signo contrario. Los antiprotones tienen la misma masa que los protones, pero tienen carga negativa. El primer antiátomo artificial completo, un positrón en órbita en torno a un antiprotón, se fabricó en 1995. Toda partícula con
carga tiene una antipartícula de la misma masa, pero de carga contraria.

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Sabemos que los elementos de la tabla periódica no están confinados al planeta Tierra. Según los estudios de la radiación procedente de otras partes del universo, se ha encontrado que las estrellas y otros objetos “de por allá” están formados por las mismas partículas que tenemos en la Tierra. Los astrofísicos hablan de la materia oscura, que no se puede ver y que tira
de las estrellas y de las galaxias que sí se pueden ver. Las fuerzas gravitacionales en el interior de las galaxias se han medido y resultado mucho mayores que las que produciría la materia visible. Solo hasta el siglo XXI se ha confirmado que cerca del 23% de la materia del universo está constituida por materia oscura invisible. Sea lo que fuere, es posible que algo, la mayor parte o toda ella sea una
materia “exótica”, muy distinta de los elementos que forman la tabla periódica, y distinta de cualquier extensión de la actual lista de los elementos.