Izotopai yra to paties cheminio elemento atomai, turintys tą patį protonų skaičių (\(Z\)), bet skirtingą neutronų skaičių (\(N\)). Dėl skirtingo neutronų skaičiaus skiriasi izotopų branduolių masės ir fizikinės savybės. Kadangi izotopų branduolių krūvis yra vienodas, jų cheminės savybės, kurias lemia elektronai, yra identiškos. Pavyzdžiui, vandenilio izotopai (protis, deuteris, tritis) turi skirtingą neutronų skaičių, bet visi turi vieną protoną.

Neutronas buvo atrastas kelių mokslininkų pastangomis. 1930 m. Valteris Botė ir Maksas Bornas, apšvitindami berilį alfa dalelėmis, aptiko skvarbią spinduliuotę. 1932 m. Frederikas ir Irena Žolio-Kiuri nustatė, kad ši spinduliuotė išmuša protonus iš parafino. Tais pačiais metais Džeimsas Čadvikas patvirtino, kad ši spinduliuotė susideda iš neutralių dalelių – neutronų, kurių egzistavimą dar 1920 m. buvo numatęs Ernestas Rezerfordas. Neutrono masė yra \(1,67493 \times 10^{-27} \text{ kg}\) (\(1,00866 \text{ a.m.v.}\)), šiek tiek didesnė už protono masę. Neutrono krūvis lygus \(0\).

Nors protonas ir neutronas dažnai vadinami elementariosiomis dalelėmis, elementarumo sąvoka yra reliatyvi. Istoriškai, atomas buvo laikomas nedaloma dalele, bet vėliau buvo įrodyta, kad jis turi sudėtingą struktūrą. Laisvasis neutronas yra nestabilus ir savaime skyla į protoną, elektroną ir antineutriną. Šiuolaikiniai tyrimai rodo, kad ir protonai, ir neutronai turi vidinę struktūrą.

Dmitrijus Ivanenka ir Verneris Heizenbergas, nepriklausomai vienas nuo kito, sukūrė protoninį-neutroninį branduolio modelį. Pagal šį modelį, atomo branduolys sudarytas iš protonų ir neutronų, bendrai vadinamų nukleonais. Protonų skaičius (\(Z\)) atitinka branduolio krūvį, o neutronų skaičius žymimas \(N\). Masės skaičius (\(A\)) yra lygus bendram nukleonų skaičiui branduolyje (\(A = Z + N\)). Branduolys vaizduojamas kaip nukleonų sankaupa, nors tai yra supaprastintas vaizdas, nes pagal kvantinę fiziką nukleonų padėtis nėra tiksliai apibrėžta.

Ernestas Rezerfordas 1919 m. atrado protoną, eksperimentuodamas su alfa dalelėmis ir azoto dujomis. Jis pastebėjo, kad sąveikaujant alfa dalelėms su azoto atomais, susidaro teigiamą krūvį turinčios dalelės, kurių masė lygi vandenilio izotopo pročio masei. Šios dalelės buvo pavadintos protonais. Vėlesni eksperimentai su kitais elementais patvirtino, kad protonai yra visų cheminių elementų branduolių sudedamoji dalis. Protono krūvis yra teigiamas ir lygus elementariojo krūvio moduliui (\(1,60218 \times 10^{-19} \text{ C}\)), o masė – \(1,67262 \times 10^{-27} \text{ kg}\) (arba \(1,00728 \text{ a.m.v.}\)).