원자의 구조에 대한 러더퍼드의 모형은 한 가지 해결하지 못한 숙제를 남겼다. 가장 간단한 원자인 수소는 양성자 1개만을 가지며, 헬륨 원자는 양성자 두 개를 가진다. 따라서 헬륨 원자의 질량과 수소 원자 질량의 비율은 2:1 이여야 한다. 전자는 양성자보다 훨씬 가볍기 때문에 그 질량을 무시할 수 있다. 그러나 실제 그 비율은 4: 1이다.러더퍼드와 다른 과학자들은 원자핵 속에 다른 형태의 아원자 입자가 있어야 한다고 가정하였고, 그에 대한 증명은 1932년 영국의 물리학자 채드윅에 의해 이루어졌다. 한 장의 얆은 베릴륨 판에 알파 입자로 충격을 가했을 때 감마선과 비슷하게 매우 높은 에너지를 가지는 방사선이 금속에서 방출되었다. 후에 실험을 통해 그 방사선이 실제로 세 번째 형태의 아원자 입자로 되어 있음을 알았다. 이 입자는 양성자의 질량보다 약간 큰 질량을 가지며 전기적 중성을 띄는 입자로 되어 있음이 밝혀졌기 때문이다.
채드윅은 이를 중성자(neutron)라 하였다. 중성자의 발견으로 질량비에 대한 의문을 해결할 수 있게 되었는데, 헬륨의 핵에는 양성자 두 개와 중성자 두 개가 있으나 수소의 핵에는 중성자는 없고, 양성자 한 개만 존재하므로 그 비율은 4:1이 된다.
모든 원자는 그 원자에 포함된 양성자와 중성자의 수로 확인할 수 있다. 한 원소의 각 원자핵에 있는 양성자수를 원자 번호(atomic number, Z)라고 한다. 중성 원자에서 양성자수는 전자의 수와 같기 때문에 원자 번호는 원자에 있는 전자수를 가리키기도 한다. 원자의 화학적 본성(identity)은 거의 원자 번호에 의해 결정된다. ex) 플루오린의 원자번호는 9이며, 이는 각 플루오린 원자는 양성자 9개와 전자 9개가 있다는 의미이다. 다르게 표현하면, 우주에서 양성자 9개를 포함하는 모든 원자는 "플루오린" 이라고 명명한다.
질량수(mass number, A)는 한 원소의 원자핵에 있는 중성자수와 양성자수를 합한 수이다. 중성자 없이 1개의 양성자만 있는 일반적인 수소를 제외하고 모든 원자핵은 양성자와 중성자를 포함하며, 일반적으로 질량수는 다음과 같이 주어진다.
질량수= 양성자수+중성자수
= 원자 번호+ 중성자수
원자에 있는 중성자수는 질량수와 원자 번호와의 차이인 (A - Z)와 같다. ex) 붕소-12의 질량수는 12이고, 원자번호는 5(양성자의 개수)이다. 따라서 붕소 원자 하나에 있는 중성자 수는 12-5 = 7이다.여기서 세 가지 양(원자 번호, 중성자수, 질량수) 은 모두 양의 정수, 자연수이어야 한다.
주어진 원소의 원자가 모두 같은 질량을 가지는 것은 아니다. 대부분의 원소는 원자 번호는 같지만 질량수가 다른 동위원소(isotope)를 가진다. ex) 수소에는 세가지 동위 원소가 있다. 중성자가 없이 양성자 한 개만을 가지는 단순히 수소로 알려져 있는 것이 그 하나이다. 중수소(deuterium)는 양성자 한 개와 중성자 한 개를 가지며, 삼중수소(tritium)는 양성자 한 개와 두 개의 중성자를 가지고 있다.