La física de partículas postula que la carga de los quarks, partículas que componen a protones y neutrones toman valores fraccionarios de esta carga elemental.
Los fermiones se caracterizan por tener espín semi-entero (1/2, 3/2, ..). En el modelo estándar existen dos tipos de fermiones fundamentales, los quarks y los leptones.
n física nuclear, un nucleón corresponde al nombre colectivo para dos partículas: el neutrón y el protón (ambas formadas por quarks de primera generación, los más ligeros).
Ya que la ecuación de Dirac fue originalmente formulada para describir el electrón, las referencias se harán respecto a "electrones", aunque actualmente la ecuación se aplica a otros tipos de partículas elementales de espín ½, como los quarks.
Hasta los años 60, los nucleones fueron considerados partículas elementales, posteriormente se postuló que podrían estar formadas por quarks, y la evidencia sólida de que estaban formados por constituyentes discernibles apareció en la década de los 70.
Está claro, a partir del modelo de quarks, que los kaones forman dos dobletes de isoespín; esto es, pertenecen a la representación fundamental de SU(2) llamada 2.
Sin embargo, nunca se han observado quarks libres y el valor de su carga en conjunto, en el caso del protón suma +e y en el neutrón suma 0.
La teoría cuántica de campos, en particular la cromodinámica cuántica, provee de las ecuaciones fundamentales que explican las propiedades de los quarks y de la fuerza nuclear fuerte.
Un neutrón por sí solo es inestable como se ha dicho (ver más abajo), pero se le puede encontrar en reacciones nucleares y también son usados en análisis centifico (ver dispersión de neutrones). Tanto el protón como el neutrón están constituidos por tres quarks.
La masa de los nucleones está asociada tanto a las propias masas de los quarks como al campo de gluones. Existe un tipo interacción no-electromagnética entre un nucleón y un leptón conlleva la transformación de un neutrón en un protón (o vicersa) es conocida como decaimiento débil o desintegración beta, esta desintegración está asociada a la fuerza nuclear débil.
Según el modelo estándar (SM, de sus siglas en inglés) de la física de partículas, la materia está formada por fermiones (a su vez divididos en quarks y leptones), y por bosones que son las partículas que transmiten las interacciones fundamentales de la naturaleza (interacción electromagnética, interacción nuclear fuerte e interacción nuclear débil).
Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se los ha podido observar libres en la naturaleza.