Pošto se tako mnogo saznalo o opštem sastavu i prirodi jezgra, postoji velika radoznalost u pogledu njegove strukture, naročito fine unutrašnje strukture. Pre svega, kakvog je oblika? Pošto je tako malo i tako nabijeno neutronima i protonima, fizičari normalno pretpostavljaju da je jezgro sferično. Izvanredni podaci spektara atoma ukazuju da mnoga jezgra imaju sferični raspored naelektrisanja. Neka jezgra to nemaju: ponašaju se kao da imaju dva para magnetnih polova i za ova jezgra se kaže da imaju “kvadripolni momenat”. Njihovo odstupanje od sferičnosti nije veliko. Najveće je kod jezgara lantanoida u kojima raspored naelektrisanja izgleda da sačinjava jedan izduženi sferoid. Cak i ovde uzdužna osa nije više od 20 procenata veća od poprečne ose.

Sto se tiče unutrašnje strukture jezgra, najjednostavniji model je prikazuje kao čvrsto sabijenu kolekciju čestica dosta nalik na kap tečnosti, gde su čestice (molekuli) tesno sabijene, sa malo međuprostora, gde je gustina praktično ravnomerna na svim mestima i gde postoji oštra površinska granica.

Ovaj "model tečne kapi" je prvi detaljno razradio 1936. godine Nils. Bor. Ovaj model daje moguće objašnjenje apsorpcije i emisije čestica nekih jezgara. Kada čestica uđe u jezgro, može se pretpostaviti da ona raspoređuje svoju energiju kretanja među sve blisko sabijene čestice, tako da nijedna čestica ne dobija toliko energije da se odmah odvoji. Posle možda jednog kvadrilionitog dela sekunde, kada ima vremena za milijarde slučajnih kolizija, neka čestica prikupi dovoljno energije da izleti iz jezgra.

Model "tečne kapi" može isto tako da objasni emisiju alfa-čestica koju vrše teška jezgra - to znači, nestabilni elementi sa rednim brojevima iznad 83. U ovim teškim jezgrima nuklearne sile kratkog dometa ne mogu da prekorače udaljenost veću od prečnika jezgra; otuda može da nastane - sila odbijanja između pozitivnih čestica. Kao rezultat toga, delovi jezgra u obliku dvoprotonske, dvoneutronske alfa-čestice (vrlo stabilna kombinacija) mogu da se spontano odvoje sa površine jezgra. Pošto se jezgro raspadne u takav oblik da nuklearna sila nadjača silu odbijanja, ono postaje stabilno.

Model u obliku tečne kapi ukazuje na drugi oblik nuklearne nestabilnosti. Kada se velika kap tečnosti suspenduje u drugu tečnost pomoću struje u fluidu koji je okružuje, ona se neprestano kreće, teži da se raspadne u manje kuglice, često deleći se na grubo jednake polovine. Možemo da zamislimo da je fisija urana analogna ovom procesu. Ovo jezgro, koje je sposobno da se cepa, počinje takoreći da treperi kada ga pogodi jedan neutron. Može da dobije oblik gimnastičkog đuleta (kao što to čini kap) i u tom slučaju nuklearne sile privlačenja ne dostižu od jednog kraja đuleta do drugog, što ima za posledicu da ga odbojna sila razdvaja na dva dela. Bor je dao ovo objašnjenje kada je otkrivena nuklearna fisija.

Druga jezgra, pored urana 235, trebalo bi takođe da budu (dokazala su da jesu) podložna fisiji, ukoliko dobiju dovoljno početne energije. U stvari, ako je jezgro tako veliko da odbojne sile postaju značajne, ono bi trebalo da povremeno vrši fisiju, čak i bez početne energije. (Ovo je kao da se kaže da jezgro u obliku kapi uvek vibrira i titra a, s vremena na vreme, vibracija je dovolino jaka da stvori gimnastičko đule i dovede do razdvajanja.)

Ruski fizičari G. N. Flerov i K. A. Petrjak su 1940. godine zaista otkrili da se teži izotop urana, U-238, ponekad spontano cepa bez dodatne čestice. Uran pokazuje nestabilnost uglavnom emitujući alfa-čestice, ali u jednoj funti urana ima četiri spontane fisije u sekundi, dok oko 8 miliona jezgara emituje alfa-čestice.

Spontana fisija se isto tako dešava u uranu 235, u protaktinijumu, u torijumu i - češće - u transuranskim elementima. Sto su jezgra veća, verovatnoća spontane fisije je veća. U najtežim elementima - ajnštajni­jumu, fermijumu i mendeljejevijumu - fisija postaje najvažniji metod raspadanja, daleko nadmašujući emisiju alfa-čestica.

Drugi popularni model jezgra, nalik na at om kao celinu i nukleone unutar jezgra, prikazuje elektrone oko jezgra koji popunjavaju ljuske i podljuske, od kojih svaka samo malo utiče na ostale. Ovo se zove "model ljuske".

Kako je moguće da ima mesta za nezavisne ljuske nukleona u sićušnom tesno sabijenom jezgru? Ali bez obzira na to postoje dokazi da tamo ima i nešto praznog prostora". Na primer, u mezonskom atomu mezon može praktično da kratko vreme kruži po jednoj orbi ti unutar jezgra. I Robert Hofšteter je našao da se jezgro sastoji od veoma gustog centra okruženog jednim "omotačem" opadajuće gustine. Debljina omotača iznosi oko polovinu poluprečnika jezgra, tako da u stvari čini sedam osmina zapremine.

Na osnovu analogije sa situacijom u elektronskim ljuskama atoma, može se pretpostavljati da jezgra sa popunjenim spoljašnjim nukleonskim ljuskama treba da budu stabilnija od onih čije spoljašnje ljuske nisu popunjene. Fizičar sa univerziteta u Cikagu, Marija Gepert - Majer (Maria Goeppert-Mayer) pokazala je da su naročito stabilna jezgra koja sadrže 2, 8, 20, 50, 82 ili 126 protona ili neutrona. Ovi "brojevi ljuski" ponekad se nazivaju "magičnim brojevima". Među jezgrima sa magičnim brojem su helijum 4 (dva protona i dva neutrona) kiseonik 16 (osam protona i 8 neutrona) i kalcij um 40 (20 protona i 20 neutrona) - svi naročito stabilni i obilniji u svemiru od drugih jezgara sličnih dimenzija. Najupečatljiviji je kalaj (50 protona) koji ima deset stabilnih izotopa. Očigledno, posedovanje 50 protona tako stabilizuje jezgro da postaje moguć širok izbor neutronskih brojeva.

Bez obzira koliko su ovi modeli korisni, oni su međusobno protivrečni i zato fizičari nisu mnogo zadovoljni modelima koji su do sada predloženi. Oni bi želeli da pogledaju dublje u jezgro i sa velikim nestrpljenjem očekuju izgradnju velikih, novih akceleratora sa kojima će nastaviti analizu jezgara.