1897年，英國科學家湯姆遜（ Joseph John Thomson，1856-1940）在真空管陰極射線實驗中，根據帶電粒子在電場以及磁場中運動都受到偏轉的原理，調整磁場和電場的大小，利用粒子公式中對粒子速度的不同依賴關係，就可以測定粒子的速度和質量等數值，從而在實驗中發現了從原子中跑出了比它質量小1700倍的帶負電的新粒子。
1899年，湯姆遜採用斯坦尼（G.T.Stoney，1826-1911）的“電子”一詞來表示發現的新粒子（“電子”原是斯坦尼在1891年用於表示電化學中電荷的自然單位）。
原子在通常情況下是不帶電的，從原子中能跑出比它質量小1700倍的帶負電電子來說明原子內部還有結構，也說明原子裡還存在帶正電的東西，它們應和電子所帶的負電中和，使原子呈中性。電子是怎麼待在原子裡的?原子中什麼東西帶正電荷?正電荷是如何分佈的?帶負電的電子和帶正電的東西是怎樣相互作用的?
湯姆遜提出了一個人們稱之為“葡萄乾麵包”的模型，即原子中帶正電部分均勻分佈在原子體內，電子鑲嵌在其中
由於電子質量極小，所以它很有可能是原子的一部分。為了弄清楚原子的結構，英國科學家盧瑟福（ Ernest Rutherford，1871-1937）於1911年設計了用帶正電的射線——阿爾法粒子（α）轟擊金箔的實驗，實驗中觀察到大多數粒子穿過金箔後發生約一度的偏轉，但有極小一部分射線發生很大角度的偏轉，這種現象只有原子中正電荷集中在很小的體積內時才會發生，說明原子中除了電子還有一個很小的緻密的核。盧瑟福證實了帶正電的原子核的存在。
在此基礎上，盧瑟福提出了原子的核式模型，即：原子中心有一個極小的原子核，它集中了全部的正電荷和幾乎所有的質量，所有電子都分佈在它的周圍。盧瑟福從理論上推導出散射公式，後被蓋革-馬斯頓實驗所驗證，核式模型從而被普遍接受。但盧瑟福模型正負電荷之間的電場力無法滿足穩定性的要求，無法解釋電子是如何穩定地待在核外。
1913年，丹麥科學家玻爾（Niels Bohr，1885-1962）在盧瑟福模型的基礎上提出：電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運動，離核愈遠能量愈高；可能的軌道由電子的角動量必須是h/2π的整數倍決定（h為描述量子大小的普朗克常數）；當電子在這些可能的軌道上運動時原子不發射也不吸收能量，只有當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時原子才發射或吸收能量，而且發射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率（ν ）和能量（E）之間的關係由
E＝hν 給出。
原子是否就由電子和質子組成呢？盧瑟福的學生莫塞萊（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887-1915）注意到，原子核所帶正電數與原子序數相等，但原子量卻比原子序數大，這說明，如果原子僅由質子和電子組成，它的質量不夠，因為電子的質量很小，相比起來可以忽略不計。基於此，盧瑟福在1920年時猜測，原子核中可能還有一種電中性的粒子存在。
1932年，英國科學家查德威克（James Chadwick，1891-1974）重複德國物理學家波特和法國的約里奧-居里夫婦的實驗 。他精心設計，先用α粒子轟擊鈹，再用鈹產生的穿透力極強的射線轟擊氫、氮，結果打出了氫核和氮核。由於γ 射線不具備將從原子中打出質子所需要的動量，查德威克斷定這種射線不可能是γ射線。他測量了被打出的氫核和氮核的速度，並由此推算出了這種新粒子的質量。他認為，只有假定從鈹中放出的射線是一種質量跟質子差不多的中性粒子，才能解釋。 根據盧瑟福的猜想將其命名為中子。德國科學家海伯森（Werner Karl Heisenberg，1907-1976）以及前蘇聯科學家伊凡寧柯（Dimitri Iwanenko，1904-1994）各自獨立提出，原子核是由質子和中子組成的。以前的質子-電子模型不能解釋許多實驗現象，而質子-中子模型可以很好說明原子量與原子序數的關係，很快被人們接受，質子與中子統稱為核子 。
帶正電的原子核是否有內部結構呢？
1914年，盧瑟福用帶正電的射線——阿爾法粒子（α）轟擊氫原子。氫原子的半徑約為10-8釐米，它的原子核半徑約為10-12釐米，只是原子大小的萬分之一。氫原子核外只有一個電子，它的束縛能E ~ 13電子伏（eV），遠小於電子質量 me ~ 0.5x106eV。實驗結果表明：氫原子的電子被打掉後變成了帶正電的陽離子，實際上就是氫的原子核。盧瑟福推測，它就是以前發現的與陰極射線相對的陽極射線，它的電荷量為一個單位，質量也為一個單位，盧瑟福將它命名為質子。
1919年，盧瑟福用加速後的阿爾法粒子轟擊氮原子，結果發現有質子從氮原子核中被打出，而氮原子也變成了氧原子。這可能是人類第一次真正將一種元素變成另一種元素。
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