A descoberta do elétron por J. J. Thomson foi o primeiro sinal de que o átomo tinha estrutura interna. Na virada do século 20, o modelo aceito do átomo era o modelo "pudim de ameixa" de J. J. Thomson, no qual o átomo era uma grande bola carregada positivamente com pequenos elétrons carregados negativamente embutidos dentro dele. Na virada do século, os físicos também tinham descoberto três tipos de radiação vinda dos átomos, que eles chamaram de radiação alfa, beta e gama. Experiências em 1911 por Lise Meitner e Otto Hahn, e por James Chadwick em 1914 descobriram que o espectro de decaimento beta era contínuo e não discreto. Ou seja, os elétrons eram ejetados do átomo com uma gama de energias, em vez das quantidades discretas de energias que eram observadas na decadência gama e alfa. Isto era um problema para a física nuclear na época, porque indicava que a energia não era conservada nestes decaimentos. O problema levaria mais tarde à descoberta do neutrino (ver abaixo).
Em 1906 Ernest Rutherford publicou "Radiação do α Partícula de Radium em passagem pela Matéria". Geiger expandiu este trabalho em uma comunicação à Royal Society com experimentos que ele e Rutherford haviam feito passando partículas de α através do ar, folha de alumínio e folha de ouro. Mais trabalho foi publicado em 1909 por Geiger e Marsden e mais trabalho ampliado foi publicado em 1910 por Geiger, Em 1911-2 Rutherford foi perante a Royal Society para explicar os experimentos e propor a nova teoria do núcleo atômico como agora a entendemos.
Na mesma época (1909) Ernest Rutherford realizou uma experiência notável na qual Hans Geiger e Ernest Marsden, sob sua supervisão, dispararam partículas alfa (núcleos de hélio) em uma fina película de folha de ouro. O modelo do pudim de ameixa previa que as partículas alfa saíssem da folha, com suas trajetórias no máximo ligeiramente dobradas. Ele ficou chocado ao descobrir que algumas partículas estavam espalhadas por grandes ângulos, mesmo completamente para trás em alguns casos. A descoberta, começando com a análise dos dados feita por Rutherford em 1911, acabou levando ao modelo do átomo de Rutherford, no qual o átomo tem um núcleo muito pequeno, muito denso, constituído de partículas pesadas com carga positiva com elétrons embutidos, a fim de equilibrar a carga. Como exemplo, neste modelo o nitrogênio-14 consistia de um núcleo com 14 prótons e 7 elétrons, e o núcleo era cercado por mais 7 elétrons em órbita.
O modelo Rutherford funcionou bastante bem até que os estudos de spin nuclear foram realizados por Franco Rasetti no Instituto de Tecnologiada Califórnia em 1929. Em 1925 era sabido que os prótons e elétrons tinham um spin de 1/2, e no modelo Rutherford de nitrogênio-14 os 14 prótons e seis dos elétrons deveriam ter se emparelhado para cancelar o spin um do outro, e o elétron final deveria ter deixado o núcleo com um spin de 1/2. Rasetti descobriu, no entanto, que o nitrogênio-14 tem um giro de um.
Em 1930 Wolfgang Pauli não pôde participar de uma reunião em Tübingen e, em vez disso, enviou uma carta famosa com a clássica introdução "Caras Senhoras e Senhores Radioativos". Em sua carta, Pauli sugeriu que talvez houvesse uma terceira partícula no núcleo que ele chamou de "nêutron". Ele sugeriu que ela era muito leve (mais leve que um elétron), não tinha carga e que não interagia prontamente com a matéria (e é por isso que ainda não havia sido detectada). Esta saída desesperada resolveu tanto o problema da conservação de energia quanto o spin de nitrogênio-14, o primeiro porque o "nêutron" de Pauli estava carregando a energia extra e o segundo porque um "nêutron" extra emparelhou-se com o elétron no núcleo de nitrogênio-14 dando-lhe um spin. O "nêutron" de Pauli foi renomeado por Enrico Fermi em 1931 como o neutrino (italiano para o pequeno neutro), e após cerca de trinta anos foi finalmente demonstrado que um neutrino é realmente emitido durante a decadência beta.
Em 1932 Chadwick percebeu que a radiação que tinha sido observada por Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène e Frédéric Joliot-Curie se devia na verdade a uma partícula maciça que ele chamou de nêutron. No mesmo ano, Dmitri Ivanenko sugeriu que os nêutrons eram de fato partículas de giro 1/2 e que o núcleo continha nêutrons e que não havia elétrons nele, e Francis Perrin sugeriu que os nêutrons não eram partículas nucleares, mas que foram criados durante a decomposição beta. Para encerrar o ano, Fermi apresentou uma teoria do neutrino à Natureza (que os editores rejeitaram por estar "muito distante da realidade"). Fermi continuou trabalhando em sua teoria e publicou um artigo em 1934 que colocou o neutrino em bases teóricas sólidas. No mesmo ano, Hideki Yukawa propôs a primeira teoria significativa da força forte para explicar como o núcleo se mantém unido.
Com os papéis de Fermi e Yukawa, o modelo moderno do átomo estava completo. O centro do átomo contém uma bola apertada de nêutrons e prótons, que é mantida unida pela forte força nuclear. Núcleos instáveis podem sofrer um decaimento alfa, no qual emitem um núcleo de hélio energético, ou decaimento beta, no qual ejetam um elétron (ou positron). Após um destes decaimentos, o núcleo resultante pode ser deixado em estado excitado e, neste caso, decai para seu estado de terra, emitindo fótons de alta energia (decaimento gama).
O estudo das forças nucleares fortes e fracas levou os físicos a colidir núcleos e elétrons a energias cada vez mais elevadas. Esta pesquisa tornou-se a ciência da física das partículas, a mais importante das quais é o modelo padrão da física das partículas que unifica as forças fortes, fracas e eletromagnéticas.
