Atom
Atom tidak memiliki batasan luar yang jelas, sehingga dimensi atom biasanya dideskripsikan sebagai jarak antara dua inti atom ketika dua atom bergabung bersama dalam ikatan kimia. Jari-jari ini bervariasi tergantung pada jenis atom, jenis ikatan yang terlibat, jumlah atom di sekitarnya, dan spin atom. Pada tabel periodik unsur-unsur, jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya periode (atas ke bawah). Sebaliknya jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan menurunnya nomor golongan (kanan ke kiri). Oleh karena itu, atom yang terkecil adalah helium dengan jari-jari 32 pm, manakala yang terbesar adalah sesium dengan jari-jari 225 pm. Dimensi ini ribuan kali lebih kecil daripada gelombang cahaya (400–700 nm), sehingga atom tidak dapat dilihat menggunakan mikroskop optik biasa. Namun, atom dapat dipantau menggunakan mikroskop gaya atom.
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.