电子、X射线、物质的放射性以及具有放射性的镭、钋等元素先后被发现后，物质放射性的研究紧接着开始，从而揭开了原子内部的结构。
1902年，汤姆生的学生、出生在新西兰的英国物理学家欧内斯特？卢瑟福（ErnestRutherford，1871～1937）等人在研究物质的放射性时，进行了这样的实验：在镭射线周边设置强磁场，发现原来成一束的射线分为三束。经再测定，带正电的一束是氦原子核He2+流，用希腊字母α（alfa）命名它；带负电的一束是电子流，用希腊字母β（beitǎ）命名它；不带电荷的一束是一种波长比X射线更短的电磁波，用希腊字母γ（gàmǎ）命名它。各束射线的运动速度不相同，又都有穿透一些物质的性能。
卢瑟福从α粒子的能量计算出放射性元素原子内部潜藏着大量的能量，这个数字可能是任何化学反应所产生的能量的100万倍。他认为没有理由假设这些潜藏的能量独为放射性元素所拥有，可能普遍存在各种元素的原子中。于是他考虑利用α粒子穿进原子内部去“刺探”原子内部的情况。
1909年，卢瑟福安排他的助手盖格（H.Geiger）和一位尚未取得学士学位的年轻大学生马斯登（E.Marsden）进行α粒子冲击金箔的实验。
盖格和马斯登观察到，通过金箔的α粒子大部分未受影响，没有发生偏离，或者偏离不到1°这样很小的角度。但是有个别α粒子偏离大到90°，甚至有的竟然被反弹回来。
这个发现使卢瑟福大为吃惊。如果他的老师汤姆生提出的电子均匀散布在正电荷中的原子模型是正确的，那么，按理金箔的原子里没有任何东西可以使高速而笨重的α粒子发生较大的偏折，更不用说被反弹回来。卢瑟福曾回忆道：“它是如此令人难以置信，正好像你用15英寸的枪射击一张薄纸，而枪弹居然会被反弹回来把你打中一样。”
卢瑟福进行了推测和计算。α粒子一定是碰到原子中带正电的东西才被弹回来的，而且这个带正电的东西一定是重而坚实的，否则就不会使一些α粒子偏离很大的角度。它一定又是很小的，比原子小得多，不容易被α粒子碰到，否则绝大多数的α粒子就会和这个东西碰撞，大部分α粒子偏离的角度就会很大。卢瑟福把这个带正电的、质量和整个原子差不多但比原子体积小得多的东西叫做原子核。
1912年春天卢瑟福提出了带核的原子模型，认为原子是由中心带正电的、体积很小的但几乎集中了原子全部质量的核和在核周围不断运动着的电子所构成，就像行星围绕太阳旋转构成的太阳系一样。
但是，根据1900年前物理学公认的理论，电子绕原子核运转会不断地以电磁波（光）的形式发射出能量。由于不断发射能量，电子将沿着一条螺旋线状轨道向原子接近，最后会落到原子核上，导致整个原子将毁灭。
1900年物理学中出现了一个新的理论，德国物理学家普朗克（M.Planck，1858～1947）提出量子论。按照这个论说，能量的吸收和辐射是不连续的，而是一小份一小份地进行的，这一小份的能量叫做一个量子。这就把光源发光比作机关枪发射子弹那样，是一个一个光的小子弹，这个小子弹就是光量子。
丹麦物理学家玻尔（N.Bohr，1885~1962）在1913年引用这个量子论修改了卢瑟福提出的原子模型，提出下列假说：
（1）在原子中，电子不能沿着任意的轨道绕原子核运转，而只能沿一定的轨道运转，这时它完全不发射能量。这些轨道叫做稳定轨道。
（2）当电子从离核较远的轨道跳到离核较近的轨道时，原子放出能量，以电磁波（光）的形式发射出来，能量的大小决定于电子在跳动前后所处的两个轨道的半径。
玻尔的原子模型为化学家解释分子结构和化合过程提供了依据，但是物理学家们不满意，它不能解释原子所表现的一些物理现象。
1925年德国青年物理学家海森伯（W.Heisenberg，1901～1976）指出，不可能指定一个电子某一时刻在空间所占的位置或追寻它在轨道上的行踪，因而无权假设玻尔的行星式轨道的确是存在的。海森伯导出的数学方程式表明，不可能设计出一种实验方法，既能同时准确地测量粒子的位置，又能同样准确地测量粒子的动量。
同时法国青年物理学家德布罗伊（L.deBroglie，1892～？）提出电子具有波粒二象性，这是一个大胆的设想。在物理学中从17世纪后半叶开始就争论着：光是波还是粒子？到20世纪初，1905年人们开始认识到光有波粒二象性，现在电子也被认为具有波粒二象性了。
1926年，德国物理学家薛定谔（E.Schrdinger，1887～1961）应用一种波动方程的数学形式描述了电子绕原子核的运动。按照这个方程的解，得到的也不是电子的精确位置，只是在某一特定空间体积内找到电子的几率的三维图像。
几率是数学中的一个概念，又称或然率或概率。在人类社会和自然界中，某一类事件在相同的条件下可能发生，也可能不发生，这类事件称为随机（会）事件。不同的随机事件发生的可能性的大小是不同的，几率就是用来表示随机事件发生的可能性大小的一个量。例如，在一个口袋里装两个黑球、一个白球和一个红球，这4个球的大小、形状和重量完全一样，在从袋中取任一个球时，取得白球的几率为1/4，取得红球的几率也是1/4，而取得黑球的几率则为1/2。
这个三维图像说明电子并不处在任何一确定的轨道上运动，而是在原子核外一定范围内高速运动。在一定的时间里，一给定电子在有的地方出现的几率较大，在有些地方则较小。如果把一个电子在原子核外各个瞬间出现的位置用照相机拍摄下来，再把多次拍摄的照片重叠在一起来看，在原子核外就像笼罩着一团电子云。这就是现今的原子结构的电子云概念。
在电子云中，有一个几率达到最大的区域，就是电子密度最大的区域。用一条线把可能找到电子几率最大的区域包围起来，就具有一定的三维形状。不同的线代表不同的电子能级，也就是我们化学课本中所说的电子层。
在电子、原子核和β粒子发现后，居里夫人曾提出原子核是由电子和正电荷构成的假设，电子部分抵消了正电荷，说明了原子核带正电。但是带有正电荷的粒子是什么粒子，还需要寻找它。1914年第一次世界大战爆发，马斯登去参军，卢瑟福去研究探测潜水艇的仪器。直到战后，1919年卢瑟福和他的助手们重又回到实验室。当他们用α粒子轰击氮原子时，发现氮原子变成了氧原子，同时有一种带正电荷的粒子分裂出来，电荷量与电子相等，但电性相反，质量为电子的1836倍，和氢原子的质量相等，卢瑟福称它为质子。于是，原子核中带正电荷的粒子被找到了。同时一种元素的原子变成了另一种元素的原子，实现了炼金术士们的幻想。
质子被发现后，科学家们又发现原子核并非完全由质子组成，因为几乎所有元素原子核的质子质量大体上只有原子核质量的一半或更少一些。例如，氦原子核（α粒子）具有两倍质子的电荷，却是四倍质子的质量。看来原子核内还有不带电荷的粒子，这种粒子很像放在船底的压舱物，它的质量和质子相等。
20世纪30年代初，德国和法国的科学家们用α粒子冲击金属铍Be，发现跑出一种穿透力比γ射线还强的射线。1932年初，在卢瑟福实验室里工作的英国物理学家查德威克（J.Chadwick，1891～1974）研究了这种射线，确定它不是γ射线，而是由不带电的质量为1的粒子组成，就把这种粒子叫中子。他测定了中子的质量，确定1个中子是由1个质子和1个电子紧密结合在一起而构成的。
中子被发现后，科学家们纷纷提出原子核由质子和中子组成，很快就获得普遍承认。按照这个理论，各种元素原子的原子核由Z个质子和（A-Z）个中子组成。这里的A表示质子和中子数目的总和，称为质量数。原子核中的质子数就等于核电荷数，也就是后来确定的元素的原子序数。
根据实验测定的结果，说明原子核内中子和质子的数目之间有一定的比例。在较轻的原子核内，中子数和质子数大致相等。当原子序数增加时，稳定的核内中子数就比质子数逐渐增多。在较重的原子核内，中子数与质子数之比大约是16∶1。一元素原子核中含有的质子数和中子数之和称为此元素的质量数。它表示着一种元素原子质量的大小，电子的质量很小，就略而不计了。
1913年卢瑟福还同英国化学家索迪发现，同一种元素的原子核中质子数相等，但中子数不等，它们的化学性质相同，但质量数不等，把它们称为同一元素的同位素，它们在元素周期表中占同一位置。现在已经明确，除少数元素外，大多数元素都有同位素。例如，氧元素有3种同位素：氧-16、氧-17、氧-18，它们的原子核中都有8个质子，但是分别有8个、9个、10个中子，因此它们的质量不同，而化学性质是一样的。
由于原子是电中性的，因此任何元素原子内的电子数必定和质子数相等。
当原子核内中子数过多，在一定条件下，一个中子会转变成一个质子，同时放出一个电子。
因此，电子并不存在原子核内，只是在中子转变成质子时才释放出来。这也就是放射性物质放射出电子——β粒子的原因。
放射性元素原子核中的一个中子转变成质子的同时放出电子后，多了一个质子，核电荷数就增加了。或者放出α粒子后，核电荷数就减少。核电荷数的多少是一种元素的特征，核电荷数增加或减少意味着一种元素转变成另一种元素了。这是天然元素的转变，也是卢瑟福和索迪发现的，称为元素的蜕变，就像蛇和蝉脱皮蜕化一样，通常又称为元素的衰变，就像人的衰老变化一样。一种放射性元素的原子由于核的衰变而减少到原来数目的一半所需的时间称为半衰期，用它作为原子核稳定性的量度标准。例如铀-238经一系列衰变后最终变成铅-206，半衰期是45亿年。但有些放射性元素的半衰期只有几秒。
由于上述诸多化学家和物理学家的深入研究，从而揭开了原子内部结构的秘密。他们对科学的发展作出了突出的贡献。卢瑟福和索迪分别获得1908年和1921年诺贝尔化学奖。普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖，玻尔获得1922年诺贝尔物理学奖。海森伯获得1932年诺贝尔物理学奖。薛定谔获得1932年诺贝尔物理学奖。查德威克获得1935年诺贝尔物理学奖。