افترض اليونانيون القدماء أن المادة تتكون من ذرّات. كان هذا مجرد افتراض لا تدعمه أي أدلة تجريبية وبالتالي لا يمكن اعتباره نقطة بداية للكيمياء الفيزيائية. لقد جمع جون دالتون (1766 – 1844) الأدلة التجريبية على وجود الذرّات في أوائل القرن التاسع عشر عندما أتاح الميزان الكيميائي إجراء القياسات الكميَّة في التفاعلات التي تخضع لها المادة. واستنتج دالتون من قياساته وجود الذَّرَّات؛ إلا أنه لم تكن لديه وسيلة لتقدير أحجامها الفعلية. ولم يكن يعلم بأنه بعد قرابة قرنين من الزمان وتحديدًا في أواخر القرن العشرين، سيتمكن العلماء من رؤيتها أخيرًا.

من وجهة نظر عالم الكيمياء الفيزيائية، تتكون الذَّرَّة من «نواة» مركزية، صغيرة، ثقيلة، موجبة الشحنة تحيط بها سحابة من «الإلكترونات» الأخف وزنا بكثير والسالبة الشحنة . ولا يهتم الكيميائيون كثيرًا بالتفاصيل الخاصة ببنية النواة في . حد ذاتها ويكتفون باعتبارها مجموعة شديدة الترابط من نوعين من الجسيمات الأساسية؛ «البروتونات» الموجبة الشحنة و«النيوترونات» المتعادلة كهربائيًا ويحدد عدد البروتونات الموجودة في النواة، أو «العدد الذَّرِّي» للذَّرَّة، هوية العنصر (1 للهيدروجين، و2 للهيليوم، وهلم جرا، وصولًا حتى الآن إلى 118 لليفرموريوم). وعدد النيوترونات هو تقريبا نفس عدد البروتونات (صفر للهيدروجين العادي، و2 للهيليوم العادي، ونحو 170 لليفرموريوم). وهذا العدد متغير قليلًا، وينشأ عنه «النظائر» المختلفة للعنصر. ومن وجهة نظر عالم الكيمياء الفيزيائية، تُعد النواة بنية دائمة إلى حد كبير ذات ثلاث خواص مهمة فهي المسئولة عن معظم كتلة الذرة، وهي موجبة الشحنة، وفي الكثير من الحالات تلف بشكل مغزلي حول محورها بمعدل ثابت.

وثمة نواة محددة ستضطلع بدور مهم في هذا السرد؛ ألا وهي نواة ذرة الهيدروجين. تتكون نواة الهيدروجين – بشكله الأكثر شيوعًا – من بروتون واحد، وهو عبارة عن جسيم أساسي موجب الشحنة يلف بشكل مغزلي بلا توقف. وعلى الرغم من بساطته الشديدة، فهو يتمتع بأهمية قصوى في الكيمياء ويشكل محور تفكير علماء الكيمياء الفيزيائية فيما يخص الذِّرات بوجه عام وفي بعض التفاعلات التي تشارك فيها. وهناك نظيران آخران للهيدروجين؛ إذ يحتوي الديوتيريوم («الهيدروجين الثقيل») على نيوترون إضافي يرتبط بالبروتون برابطة قوية، ويحتوي التريتيوم على نيوترونين. ولهذين النظيرين دور ضئيل في سياق بقية هذا الكتاب، ولكن لكل منهما خواص تهم الكيميائيين من الناحية التقنية.