Atom
Jumlah proton dan neutron pada inti atom dapat diubah, walaupun hal ini memerlukan energi yang sangat tinggi oleh karena gaya atraksinya yang kuat. Fusi nuklir terjadi ketika banyak partikel atom bergabung membentuk inti yang lebih berat. Sebagai contoh, pada inti Matahari, proton memerlukan energi sekitar 3–10 keV untuk mengatasi gaya tolak-menolak antar sesamanya dan bergabung menjadi satu inti. Fisi nuklir merupakan kebalikan dari proses fusi. Pada fisi nuklir, inti dipecah menjadi dua inti yang lebih kecil. Hal ini biasanya terjadi melalui peluruhan radioaktif. Inti atom juga dapat diubah melalui penembakan partikel subatom berenergi tinggi. Apabila hal ini mengubah jumlah proton dalam inti, atom tersebut akan berubah unsurnya.
Fisika partikel
Pada abad ke-19, John Dalton, melalui karyanya pada stoikiometri, menyimpulkan bahwa setiap unsur alam terdiri dari satu jenis partikel yang unik. Dalton dan sezamannya percaya ini adalah partikel dasar alam dan dengan demikian mereka bernama atom, dari kata Yunani atomos , berarti "tak terbagi". Namun, mendekati akhir abad ini, fisikawan menemukan bahwa atom ternyata bukanlah partikel dasar alam, tetapi gabungan dari partikel-pertikel yang lebih kecil. Penelitian fisika nuklir dan fisika kuantum pada awal abad 20 memuncak pada bukti fisi nuklir pada tahun 1939 oleh Lise Meitner (berdasarkan percobaan oleh Otto Hahn), dan fusi nuklir oleh Hans Bethe pada tahun yang sama. Penemuan-penemuan ini memunculkan industri aktif untuk menghasilkan satu atom dari yang lain, bahkan mungkin melakukan (walaupun tidak menguntungkan) transmutasi timah menjadi emas. Mereka juga mengarah pada pengembangan senjata nuklir. Sepanjang tahun 1950-an dan 1960-an, berbagai partikel ditemukan dalam eksperimen hamburan yang disebut sebagai "kebun binatang partikel". Istilah ini telah ditinggalkan setelah perumusan Model Standar selama tahun 1970-an di mana sejumlah besar partikel itu dijelaskan sebagai kombinasi dari sejumlah partikel fundamental.