Открытие электрона Дж. Дж. Томсоном было первым признаком того, что атом имеет внутреннюю структуру. На рубеже 20-го столетия принятой моделью атома была модель "сливового пудинга" Дж. Дж. Томсона, в которой атом был большим положительно заряженным шаром с маленькими отрицательно заряженными электронами, встроенными внутрь него. На рубеже веков физики также открыли три типа излучения, исходящего от атомов, которые они назвали альфа-, бета- и гамма-излучением. Эксперименты Лизы Мейтнер и Отто Хана в 1911 году, а также Джеймса Чадвика в 1914 году показали, что спектр бета-распада является непрерывным, а не дискретным. То есть из атома выбрасывались электроны с диапазоном энергий, а не с дискретным количеством энергий, которые наблюдались в гамма- и альфа-распадах. В то время это было проблемой для ядерной физики, поскольку это указывало на то, что энергия в этих распадах не сохраняется. Позднее эта проблема привела бы к обнаружению нейтрино (см. ниже).
В 1906 году Эрнест Резерфорд опубликовал статью "Излучение α-частицы радия при прохождении через вещество". Гейгер продолжил эту работу в сообщении Королевскому обществу с экспериментами, проведенными им и Резерфордом в области пропуска α-частиц через воздух, а также через алюминиевую фольгу и золотую фольгу. Больше работ было опубликовано в 1909 году Гейгером и Марсденом, а в 1910 году Гейгером была опубликована значительно расширенная работа, в 1911-2 годах Резерфорд отправился в Королевское общество, чтобы объяснить эксперименты и продвинуть новую теорию атомного ядра в том виде, в каком мы ее сейчас понимаем.
Примерно в это же время (1909 г.) Эрнест Резерфорд провел замечательный эксперимент, в ходе которого Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под его руководством выстрелили альфа-частицами (ядрами гелия) в тонкую пленку золотой фольги. Модель со сливовым пудингом предсказала, что альфа-частицы должны выйти из фольги, причем их траектории должны были быть слегка изогнуты. Он был потрясен, обнаружив, что несколько частиц рассеяны под большими углами, а в некоторых случаях даже полностью задом наперёд. Открытие, начиная с анализа данных Резерфорда в 1911 году, в конечном счете привело к Резерфордской модели атома, в которой атом имеет очень маленькое, очень плотное ядро, состоящее из тяжелых положительно заряженных частиц с встроенными электронами, чтобы уравновесить заряд. Например, в этой модели азот-14 состоял из ядра с 14 протонами и 7 электронами, а ядро было окружено еще 7 орбитальными электронами.
Модель Резерфорда работала достаточно хорошо до тех пор, пока Франко Расетти не провел исследования ядерного спина в Калифорнийскомтехнологическом институте в 1929 году. К 1925 году было известно, что протоны и электроны имели спин 1/2, а в Резерфордской модели азота-14 14 протонов и 6 электронов должны были парами аннулировать спин друг друга, а конечный электрон должен был покинуть ядро со спином 1/2. Расетти, однако, обнаружил, что спин азота-14 имеет один.
В 1930 году Вольфганг Паули не смог присутствовать на встрече в Тюбингене, а вместо этого отправил знаменитое письмо с классическим вступлением "Уважаемые радиоактивные дамы и господа". В своем письме Паули предположил, что, возможно, в ядре есть третья частица, которую он назвал "нейтроном". Он предположил, что она очень легкая (более легкая, чем электрон), не имеет заряда, и что она неохотно взаимодействует с веществом (вот почему она еще не была обнаружена). Этот отчаянный выход решил и проблему экономии энергии, и проблему спина азота-14, во-первых, потому, что "нейтрон" Паули уносил лишнюю энергию, а во-вторых, потому, что лишний "нейтрон" в паре с электроном в ядре азота-14 давал ему спин. Нейтрон Паули был переименован Энрико Ферми в 1931 году в нейтрино (по-итальянски - маленькое нейтральное), и примерно через тридцать лет было окончательно доказано, что нейтрино действительно выделяется при бета-распаде.
В 1932 году Чадвик понял, что радиация, которую наблюдали Уолтер Боте, Герберт Л. Беккер, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, на самом деле была вызвана массивной частицей, которую он назвал нейтроном. В том же году Дмитрий Иваненко предположил, что нейтроны на самом деле являются крутящимися 1/2 частицами и что ядро содержит нейтроны, и что в нем нет электронов, а Фрэнсис Перрен предположил, что нейтрины не являются ядерными частицами, а создаются во время бета-распада. Чтобы закрыть год, Ферми представил теорию нейтрино Природе (которую редакторы отвергли, потому что она "слишком далека от реальности"). Ферми продолжил работу над своей теорией и в 1934 г. опубликовал статью, в которой нейтрино было поставлено на твердую теоретическую основу. В том же году Хидэки Юкава предложил первую значительную теорию сильной силы, чтобы объяснить, как ядро держится вместе.
С работами Ферми и Юкавы современная модель атома была завершена. В центре атома находится плотный шар из нейтронов и протонов, который удерживается вместе сильной ядерной силой. Нестабильные ядра могут подвергнуться альфа-распаду, при котором они испускают энергетическое ядро гелия, или бета-распаду, при котором они выбрасывают электрон (или позитрон). После одного из этих распадов результирующее ядро может остаться в возбужденном состоянии, и в этом случае оно распадается до своего основного состояния, испуская фотоны высокой энергии (гамма-распад).
Изучение сильных и слабых ядерных сил привело физиков к столкновению ядер и электронов при все более высоких энергиях. Это исследование стало наукой физики частиц, наиболее важной из которых является стандартная модель физики частиц, которая объединяет сильные, слабые и электромагнитные силы.
