Le noyau lui-même n'est pas élémentaire: il est composé de deux sous-constituants, le proton et le neutron. Le proton possède une charge électrique +1, opposée à celle de l'électron; le neutron est ... neutre (charge nulle). Ainsi, un noyau de numéro atomique Z comporte Z protons et un nombre N de neutrons.

Cette structure nucléaire explique les masses des atomes qui sont données dans le tableau de Mendeleiev. Effectivement, proton et neutron ont pratiquement même masse, que l'on choisit comme masse unité. Ils ont donc masse 1 (unité atomique). L'électron a une masse négligeable, environ 2000 fois plus petite. La masse M_z d'un atome vaut donc M_z = Z+N, ce qui se rapproche des masses du tableau.
Exemples:
- Hydrogène: Z=1, N=0: M_z~1
- Lithium: Z=3, N=4: M_z~7
- Oxygène: Z=8, N=8: M_z~16

Cela explique également l'existence de masses très proches pour le Cobalt et le Nickel. En effet, le cobalt a numéro atomique Z=27 et N=32 alors que le nickel lui a Z=28 et N=31. Tous deux ont donc une masse avoisinant 59 unités atomiques.

On peut même comprendre le fait que les masses des atomes ne soient pas exactement entières en unité atomique. En effet, ce qui caractérise chimiquement l'atome, c'est le numéro atomique Z. Il existe dans la nature des atomes ayant le même nombre atomique Z mais des nombres de neutrons N différents: on les appelle des isotopes.
Considérons un élément ayant deux isotopes avec des nombres de neutrons N et N'. Dans la nature, on les trouve en proportions 1-x et x respectivement. La masse de l'élément correspondant qui en découle est donc une moyenne des masses des deux isotopes, pondérée par leurs proportions respectives:

En conclusion, la connaissance de la structure interne de l'atome, avec les trois sous-constituants que sont l'électron, le proton et le neutron, permet d'expliquer le tableau de Mendeleiev.