Descoperirea electronului de către J. J. Thomson a fost primul semn că atomul are o structură internă. La începutul secolului al XX-lea, modelul acceptat al atomului era modelul "budincii de prune" al lui J. J. Thomson, în care atomul era o sferă mare încărcată pozitiv, în interiorul căreia erau încorporați mici electroni încărcați negativ. Până la începutul secolului, fizicienii descoperiseră, de asemenea, trei tipuri de radiații provenite de la atomi, pe care le-au numit radiații alfa, beta și gamma. Experimentele efectuate în 1911 de Lise Meitner și Otto Hahn, precum și de James Chadwick în 1914 au descoperit că spectrul de dezintegrare beta era mai degrabă continuu decât discret. Altfel spus, electronii erau ejectați din atom cu o gamă de energii, mai degrabă decât cantitățile discrete de energii care au fost observate în cazul dezintegrărilor gamma și alfa. Acest lucru a reprezentat o problemă pentru fizica nucleară la acea vreme, deoarece indica faptul că energia nu era conservată în aceste dezintegrări. Problema avea să ducă mai târziu la descoperirea neutrinului (a se vedea mai jos).
În 1906, Ernest Rutherford a publicat lucrarea "Radiația particulei α din radiu la trecerea prin materie". Geiger a dezvoltat această lucrare într-o comunicare către Royal Society cu experimentele pe care el și Rutherford le-au făcut trecând particule α prin aer, folie de aluminiu și folie de aur. Alte lucrări au fost publicate în 1909 de Geiger și Marsden, iar în 1910, Geiger a publicat alte lucrări mult mai ample. În 1911-1921, Rutherford s-a prezentat în fața Societății Regale pentru a explica experimentele și pentru a propune noua teorie a nucleului atomic, așa cum o înțelegem acum.
Cam în aceeași perioadă în care se întâmpla acest lucru (1909), Ernest Rutherford a realizat un experiment remarcabil în care Hans Geiger și Ernest Marsden, sub supravegherea sa, au tras cu particule alfa (nuclee de heliu) într-o peliculă subțire de folie de aur. Modelul budincii de prune a prezis că particulele alfa ar trebui să iasă din folie cu traiectorii cel mult ușor curbate. El a fost șocat să descopere că câteva particule au fost împrăștiate în unghiuri mari, chiar complet înapoi în unele cazuri. Descoperirea, începând cu analiza datelor de către Rutherford în 1911, a condus în cele din urmă la modelul Rutherford al atomului, în care atomul are un nucleu foarte mic și foarte dens, format din particule grele încărcate pozitiv cu electroni încorporați pentru a echilibra sarcina. Ca exemplu, în acest model, azotul-14 era format dintr-un nucleu cu 14 protoni și 7 electroni, iar nucleul era înconjurat de încă 7 electroni care orbitau.
Modelul Rutherford a funcționat destul de bine până când Franco Rasetti, de la Institutul de Tehnologie din California, a efectuat studii asupra spinului nuclear în 1929. Până în 1925 se știa că protonii și electronii au un spin de 1/2, iar în modelul Rutherford al azotului 14, cei 14 protoni și șase dintre electroni ar fi trebuit să se împerecheze pentru a-și anula reciproc spinul, iar ultimul electron ar fi trebuit să părăsească nucleul cu un spin de 1/2. Cu toate acestea, Rasetti a descoperit că azotul-14 are un spin de unu.
În 1930, Wolfgang Pauli nu a putut participa la o reuniune la Tübingen și, în schimb, a trimis o scrisoare celebră cu introducerea clasică "Dragi doamne și domni radioactivi". În scrisoarea sa, Pauli a sugerat că poate exista o a treia particulă în nucleu, pe care a numit-o "neutron". El a sugerat că aceasta era foarte ușoară (mai ușoară decât un electron), că nu avea sarcină și că nu interacționa ușor cu materia (motiv pentru care nu fusese încă detectată). Această soluție disperată a rezolvat atât problema conservării energiei, cât și cea a spinului azotului-14, prima pentru că "neutronul" lui Pauli transporta energia suplimentară, iar a doua pentru că un "neutron" suplimentar se împerechea cu electronul din nucleul de azot-14, dându-i spinul unu. "Neutronul" lui Pauli a fost redenumit neutrino (în italiană, mic neutru) de către Enrico Fermi în 1931 și, după aproximativ treizeci de ani, s-a demonstrat în cele din urmă că un neutrino este într-adevăr emis în timpul dezintegrării beta.
În 1932, Chadwick și-a dat seama că radiațiile observate de Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène și Frédéric Joliot-Curie se datorau de fapt unei particule masive pe care a numit-o neutron. În același an, Dmitri Ivanenko a sugerat că neutronii erau de fapt particule cu spin 1/2 și că nucleul conținea neutroni și că nu existau electroni în el, iar Francis Perrin a sugerat că neutrinii nu erau particule nucleare, ci erau creați în timpul dezintegrării beta. Pentru a încheia anul, Fermi a prezentat o teorie a neutrinilor la revista Nature (pe care editorii au respins-o pentru că era "prea îndepărtată de realitate"). Fermi a continuat să lucreze la teoria sa și a publicat o lucrare în 1934 care a plasat neutrinul pe baze teoretice solide. În același an, Hideki Yukawa a propus prima teorie semnificativă a forței puternice pentru a explica modul în care nucleul se menține unit.
Odată cu lucrările lui Fermi și Yukawa, modelul modern al atomului a fost complet. Centrul atomului conține o minge strânsă de neutroni și protoni, care este ținută împreună de forța nucleară puternică. Nucleele instabile pot suferi dezintegrare alfa, prin care emit un nucleu energetic de heliu, sau dezintegrare beta, prin care ejectează un electron (sau un pozitron). După una dintre aceste dezintegrări, nucleul rezultat poate rămâne într-o stare excitată și, în acest caz, se dezintegrează în starea fundamentală prin emiterea de fotoni de mare energie (dezintegrare gamma).
Studiul forțelor nucleare puternice și slabe i-a determinat pe fizicieni să ciocnească nuclee și electroni la energii din ce în ce mai mari. Aceste cercetări au devenit știința fizicii particulelor, dintre care cel mai important este modelul standard al fizicii particulelor, care unifică forțele puternice, slabe și electromagnetice.
