Objev elektronu J. J. Thomsonem byl první známkou toho, že atom má vnitřní strukturu. Na přelomu 19. a 20. století byl uznávaným modelem atomu model "švestkového pudinku" J. J. Thomsona, podle kterého byl atom velkou kladně nabitou koulí s malými záporně nabitými elektrony uvnitř. Na přelomu století fyzikové také objevili tři druhy záření vycházejícího z atomů, které pojmenovali alfa, beta a gama záření. Pokusy Lise Meitnerové a Otto Hahna v roce 1911 a Jamese Chadwicka v roce 1914 zjistily, že spektrum rozpadu beta je spojité, nikoli diskrétní. To znamená, že z atomu byly vyvrženy elektrony s různými energiemi, nikoliv s diskrétním množstvím energií, které byly pozorovány u rozpadů gama a alfa. To byl pro tehdejší jadernou fyziku problém, protože to naznačovalo, že energie se při těchto rozpadech nezachovává. Tento problém později vedl k objevu neutrina (viz níže).
V roce 1906 Ernest Rutherford publikoval práci "Vyzařování částice α z radia při průchodu hmotou". Geiger tuto práci rozšířil ve sdělení Královské společnosti o experimenty, které spolu s Rutherfordem provedli při průchodu částic α vzduchem, hliníkovou a zlatou fólií. Další práce publikovali Geiger a Marsden v roce 1909 a další značně rozšířenou práci publikoval Geiger v roce 1910, V letech 1911-2 vystoupil Rutherford před Královskou společností, aby vysvětlil experimenty a předložil novou teorii atomového jádra, jak ji chápeme nyní.
Přibližně ve stejné době (1909) provedl Ernest Rutherford pozoruhodný experiment, při kterém Hans Geiger a Ernest Marsden pod jeho dohledem vystřelili částice alfa (jádra helia) na tenkou vrstvu zlaté fólie. Model švestkového pudinku předpovídal, že částice alfa by měly z fólie vycházet s nanejvýš mírně ohnutými trajektoriemi. Byl šokován, když zjistil, že několik částic se rozptýlilo pod velkými úhly, v některých případech dokonce úplně dozadu. Objev, který začal Rutherfordovou analýzou dat v roce 1911, nakonec vedl k Rutherfordovu modelu atomu, podle něhož má atom velmi malé, velmi husté jádro složené z těžkých kladně nabitých částic s vloženými elektrony, aby se náboj vyrovnal. Jako příklad lze uvést dusík-14, který se v tomto modelu skládal z jádra se 14 protony a 7 elektrony, přičemž jádro bylo obklopeno dalšími 7 obíhajícími elektrony.
Rutherfordův model fungoval poměrně dobře až do doby, kdy Franco Rasetti v Kalifornskémtechnologickém institutu v roce 1929 provedl studie jaderného spinu. V roce 1925 bylo známo, že protony a elektrony mají spin 1/2, a v Rutherfordově modelu dusíku 14 se mělo 14 protonů a šest elektronů spárovat, aby se jejich spin vzájemně vyrušil, a poslední elektron měl opustit jádro se spinem 1/2. V roce 1925 se zjistilo, že spin protonů a elektronů se rovná 1/2, a v roce 1925 se zjistilo, že spin protonů a elektronů se rovná 1/2. Rasetti však zjistil, že dusík-14 má spin 1.
V roce 1930 se Wolfgang Pauli nemohl zúčastnit setkání v Tübingenu a místo toho poslal slavný dopis s klasickým úvodem "Vážené radioaktivní dámy a pánové". Pauli v dopise naznačil, že v jádře možná existuje třetí částice, kterou pojmenoval "neutron". Naznačoval, že je velmi lehká (lehčí než elektron), nemá náboj a neinteraguje snadno s hmotou (proto nebyla dosud objevena). Toto zoufalé východisko vyřešilo jak problém zachování energie, tak problém spinu dusíku-14. První problém vyřešil Pauliho "neutron", protože odnášel energii navíc, a druhý problém vyřešil další "neutron", který se spároval s elektronem v jádře dusíku-14 a získal spin jedna. Pauliho "neutron" byl v roce 1931 Enricem Fermim přejmenován na neutrino (italsky "malý neutrální") a zhruba po třiceti letech se konečně podařilo prokázat, že při rozpadu beta se skutečně vyzařuje neutrino.
V roce 1932 si Chadwick uvědomil, že záření, které pozorovali Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène a Frédéric Joliot-Curie, je ve skutečnosti způsobeno hmotnou částicí, kterou nazval neutron. V témže roce Dmitrij Ivaněnko navrhl, že neutrony jsou ve skutečnosti částice se spinem 1/2 a že jádro obsahuje neutrony a že v něm nejsou žádné elektrony, a Francis Perrin navrhl, že neutrina nejsou jaderné částice, ale vznikají při rozpadu beta. Na závěr roku předložil Fermi časopisu Nature teorii neutrin (kterou redakce odmítla pro její "přílišnou vzdálenost od reality"). Fermi na své teorii dále pracoval a v roce 1934 publikoval článek, který neutrino postavil na pevný teoretický základ. Ve stejném roce navrhl Hideki Yukawa první významnou teorii silné síly, která vysvětlovala, jak jádro drží pohromadě.
Fermiho a Yukawovy práce dokončily moderní model atomu. V centru atomu se nachází těsná koule neutronů a protonů, kterou drží pohromadě silná jaderná síla. Nestabilní jádra mohou procházet rozpadem alfa, při kterém se uvolňuje energetické jádro helia, nebo rozpadem beta, při kterém se vyvrhuje elektron (nebo pozitron). Po jednom z těchto rozpadů může výsledné jádro zůstat v excitovaném stavu a v takovém případě se rozpadá do základního stavu vyzařováním vysokoenergetických fotonů (rozpad gama).
Studium silných a slabých jaderných sil vedlo fyziky ke srážkám jader a elektronů při stále vyšších energiích. Tento výzkum se stal základem částicové fyziky, jejíž nejdůležitější částí je standardní model částicové fyziky, který sjednocuje silné, slabé a elektromagnetické síly.
