到1920年，科学家已经知道每一个原子都是由原子核和电子组成，且带正电的原子 核被带负电的电子云所包围。原子并不是“基本粒子”——构成物质的最基本的材料， 不可再拆分成更小的微粒。不久，科学家们不断地发现了比原子更小的粒子，使人们对 微观世界的认识更加深人。
  新西兰裔英国物理学家欧内斯特•卢瑟福（1871-1937年）用a粒子（氦核）轰击 氮原子时，发现氢核被释放出来，也就是说，氮核中必定含有氢原子核。1920年，卢瑟 福建议将释放出的氢原子核命名为“质子”（源自希腊语中的“protos”，意思是“第 一”）。
  质子的质量是电子的1 836。12倍。原子绝大部分的质量都被原子核占据。同年，卢瑟福提出了比氢原子质量大得多的原子核还包含了不带电荷的微粒。自1919年起，卢瑟福一直担任剑桥大学的物理教授和卡文迪许实验室的主任。卢瑟 福研究的重点仍然是用a粒子（氦核）轰击不同种类的原子核。
  1925年，英国物理学家 帕特里克•布莱克特（1897-1974年）在卢瑟福的指导下，将云室——1911年苏格兰物 理学家威尔森（1869-1959年）发明——改进为一种能记录原子的瓦解的装置。但是a 粒子所具有的能量还不足以将质量较大的原子核轰击成碎片，因此，对质量较大的原子核需要用能量更强的粒子轰击。
  1932年，英国物理学家约翰•考克劳夫特（1897-1967 年）和爱尔兰物理学家欧内斯特•沃尔顿（1903-1995年）在卡文迪许实验室建造了世 界上第一台粒子加速器，利用电磁铁产生的强大磁场加速质子，然后直接轰击目标。20世纪20年代，德国物理学家瓦尔特•波特（1891-1957年）在柏林领导一个科学 家小组进行了一系列的科学实验，他们用a粒子轰击几种较轻元素的原子核，这些元素包 括铍、硼和锂。
  1930年，他们发现轰击原子核时会产生高能穿透辐射，起初，这些科学家 认为这是一种7射线辐射，但是这种辐射的穿透力比任何见过的射线辐射都要强。1932年，法国物理学家约里奥•居里夫妇一-伊伦•约里奥•居里（1897-1956 年）和弗雷德瑞克•约里奥•居里（1900-1958年）——发现用a粒子轰击石蜡或其他 类似的碳氢化合物（由氢和碳元素组成）时，会发射出能量很高的质子。
  对这一现象的 进一步研究使科学家对波特观察到的所谓7射线推论产生了越来越多的质疑。英国物理 学家詹姆斯•查德威克（1891-1974年）在卡文迪许实验室证实了轰击原子核所产生的射线不可能是7射线，他还指出该辐射所含的粒子的质量与质子质量一样，但是不带电 荷。
  查德威克认为这种新粒子是被束缚在一个电子（氢原子）内的质子，当他用a粒子 轰击已知原子量的硼原子时，就能计算出这种粒子的质量——该粒子为1。0087原子质量 单位，略大于质子（ 1。007276质量单位）。因为该粒子不带电荷，所以被称为中子。
  在原子核内，中子很稳定，但到了原子核外，中子会衰变成一个质子、一个电子，以及一 个反中微子。质子和中子构成了原子核，一起被称做核子。沃尔夫冈•泡利（1900-1958年）是20世纪最伟大的物理学家之一，1930年，泡利对P射线进行研究——由不稳定的原子发射的电子流，这些电子看起来失去了一些能量，但是没有人能找出电子失去能量的原因，这与基础的物理定律之 能量不能凭空创造和失去——是矛盾的。
  为了解开这个谜团，泡利提出P辐射还包含了一种以前不 为人知的粒子，具有在静止时既不带电也没有质量的特性。意大利物理学家恩里克•费 米（1901-1954年）在1934年证实了这种粒子的存在，并把它叫做中微子。英国理论物理学家保罗•狄拉克（1902-1984年）对量子电动力学的发展作出了重要的贡献。
  19世纪20年代后期，理论物理学家对电子的研究非常感兴趣，狄拉克对德国物理学家沃纳•海森堡（1901-1976年）对电子作出的描述很不满意，于是提出了自己 关于电子的表述——狄拉克方程，并提出电子有带上正电荷的可能性。1932年，美国物 理学家卡尔•安德森（1805-1991年）发现了这种粒子的存在。
  1933年，帕特里克•布 莱克特也独立地发现了该种粒子。后来，这种粒子被称为正电子。正电子是第一种被发 现的反物质粒子。1937年，安德森与研究生塞恩•尼德梅耶（1907-1988年）合作发现了电子——与 电子相似的极不稳定的粒子，但质量是电子的200多倍。