돌턴의 원자론에 근거하여, 원자(atom)은 화학 결합을 할 수 있는 원소의 기본단위로 정의 할 수 있다. 돌턴은 원자를 매우 작고 더 이상 나누어지지 않는 것으로 생각했다. 그러나 1850년대부터 20세기까지 계속된 일련의 연구를 통해 원자가 실제로 내부 구조를 가짐이 밝혀졌다. 다시 말해, 원자는 아원자 입자(subatomic particle)라는 훨씬 더 작은 입자로 이루어져 있으며, 이 연구를 통해서 전자, 양성자, 중성자의 세 가지 입자가 발견되었다.
방사능
1895년 독일 물리학자인 륀트겐은 음극선으로 인해 유리와 금속이 매우 특이한 빛을 방출한다는 것을 알았다. 이 활동성이 큰 방사선은 물질을 통과하고, 가려진 사진판을 검게 만들며, 여러가지 물질이 형광색을 띄게 했다. 이 방사선은 자석에 의해 휘어지지 않기 때문에 음극선과는 달리 하전된 입자를 포함하지 않았다. 륀트겐은 당시에 이 빛에 대해 잘 알지 못했지 때문에 이 빛을 X선이라 하였다.
륀트겐의 발견 이후에 얼마 되지 않은 시점 파리의 물리학 교수 베크렐은 물질의 형광성에 대한 연구를 시작했다.
그는 우연히도 두껍게 덮은 사진판을 미상의 우라늄 화합물에 노출시키면 음극선의 자극이 없이도 사진판이 검게 된다는 사실을 발견한다. 우라늄 화합물에서 나오는 이 복사선은 X선 처럼 활동적이고, 자석의 영향을 받지 않으나, 자발적으로 발생하기 때문에 X선과는 다른 성질을 지녔다. 베크렐의 제자였던 마리 퀴리는 이와 같이 자발 적으로 방사선을 방출하는 것을 나타내기 위해 방사능(radioactivity)이란 말을 제안하였다. 따라서 자발적으로 방사선을 방출하는 모든 원소를 방사성 원소(radioactive element)라고 한다. 우라늄과 같은 방사성 물질은 파괴되면서 세 종류의 방사선이 발생되는 것을 발견했다. 그 중 두가지 방사선은 반대로 하전된 금속판 사이를 통과할 때 휘어진다. 알파선은 알파 입자라고 하는 양전하를 띤 입자로 구성되어 있어 양전하를 띠고 있는 판에 의해 휘어진다. 베타선은 베타입자, 전자이며 음전하를 띠는 판에 의해 휘어진다. 방사선의 세번째 형태는 감마선이라고 하는 높은 에너지 복사선으로 이뤄져 있다. X선과 이 감마선은 전하를 갖지 않으며 외부 자기장이나 전기장의 영향을 받지 않는다.
1900년대 초까지 원자에 대한 두 가지 특성이 분명하게 드러났는데, 원자는 전자를 포함하고 있으며, 전기적으로 중성은 띄고 있다는 것이다. 전기적 중성을 유지하기 위해 원자는 같은 수의 양전하와 음전하를 포함해야한다. 이런 사실을 바탕으로 톰슨은 원자는 균일하게 양전하가 분포해 있는 구에 전자가 박혀 있는 물질로 생각할 수 있다며 "건포도 푸딩" 모형을 제안 했다. 실제로도 이 모형은 오랜 기간 인정을 받아왔다.
러더퍼드는 알파 입자 산란 실험을 통해 원자 구조에 대해 새로운 모형을 설명할 수 있었다. 원자의 대부분은 빈 공간으로 되어 있어야한다. 그 이유는 대부분의 입자가 거의, 또는 전혀 휘어지지 않고 금박을 통과한 것으로 설명할 수 있다. 원자의 양전하는 원자 내의 조밀한 중심부인 핵(nucleus)에 모두 집중되어 있다. 라고 제안하였다. 산란 실험에서 알파 입자는 핵에 가까이 갈 때마다 큰 반발력을 받아 크게 휘어진다. 더욱이 핵을 향해 정면으로 이동하는 알파 입자는 움직이는 입자의 방향을 완전히 반대로 바꿀 수 있는 막대한 반발 작용을 맞게 된다.
핵에서 양으로 하전된 입자를 양성자(proton)라 한다. 양성자 한 개의 전하는 전자 한 개 의 전화와 크기가 같으며, 양성자의 질량은 1.67262 *10^-24 g 으로 이는 정반대로 하전된 전자 질량의 약 1840배에 달한다는 것을 발견했다.