哪一個物理學家於1911年時以實驗證明原子含有直徑約10費米質量與電荷中心?
歐尼斯特·拉塞福
在對於譜線的研究基礎上，產生了波耳模型，直至現今描述原子中電子殼層結構的原子軌道模型，該模型是今天我們對於化學的所有認識的基礎。這些結論並不是顯而易見的，而是人們經過了一個世紀的探索，最終成功地為化學建立起堅實的基礎，同時，原子物理學也在其他許多方面有著廣泛的應用。1911年物理學家歐尼斯特·拉塞福實驗用α粒子穿過金箔產生的散射現象，證明原子含有直徑約10費米質量與電荷中心，完整的原子尺寸約0.1奈米他設想原子中心為帶正電的核，核周圍有帶負電的電子做軌道運動。但根據古典力學原理，這樣的原子會因為電子發射電磁波而不穩定。而且，所發射出來的電磁波波譜不符合所觀測到的原子光譜。這些問題在1913年被丹麥物理學家波耳改進的原子模型所解決，在波耳模型中位於特殊軌道的電子具有取決於軌道半徑才擁有特定的能量。因為僅允許有特定軌道，所以電子只具有特定能量，產生特定允許能階圖。電子在允許軌道上部發射電磁能，但電子從一個軌道躍遷到另一個軌道上時，發射或吸收的能量為兩軌道允許能量的差值，而這正與所觀察到的原子光譜一致。雖然波耳模型提供了一種有用的形象化模型，但近代原子理論還是採用量子力學而向前發展。電子具有波動性，因此波耳軌道模型可以解釋為一種要求，以適合繞核電子波的總波數。原子中的電子較好地被表示為標以特定量子數組合的電荷分布，而不是在圓軌道上的點狀粒子。量子數的每種可能的組合對應到一個階級，雖然不完全能被立即佔據 。波耳的理論能部份地解釋原子光譜，而現代量子理論則能明確地詳細計算光譜。
前6世紀古希臘的哲學家就提出物質是由基本粒子組成的猜測。流西普斯、德謨克里特斯和伊比鳩魯是原子論的代表人物。17世紀時艾薩克牛頓也有過物質是由粒子組成的想法。1802年約翰道爾頓正式提出所有物質是由原子組成的理論。1869年季米特里門捷列夫發表的元素周期表加深了原子論的設想。約瑟夫•湯姆森發現了原子中存在帶有負電荷、質量非常小的電子，認為原子是由質子和被束縛的電子組成的。歐內斯特•拉塞福證明質子集中在非常緊密的原子核中。1932年英國物理學家查德威克發現了中子，至此，人們認識到原子核是由質子和中子組成的，電子在原子核外運動。20世紀原子物理學和量子物理學的研究導致了裂變和聚變的發現和實驗成功。人類能夠將一個元素的原子轉換成另一個元素的原子。1950年代和60年代中許多新的粒子被發現，它們被統稱為粒子動物園。直到1970年代粒子物理的標準模型建立，將大多數這些粒子看作是少數基本粒子的複合粒子後這個混亂才減輕。
原子序數是一個原子核內質子的數量，也決定元素的性質。擁有同一原子序數的原子屬於同一化學元素。例如所有的碳原子的原子核都有六個質子，因此碳的原子序數是6。碳原子可能會有不同個數的中子，這些就是碳的同位素。原子核中質子的個數決定了原子核的電荷，因此也決定了原子在電中性時的電子個數。電子會填入其原子軌域中，決定原子各種的化學性質。中子的個數對於原子的化學性質影響不大。例如所有的碳原子因為有六個質子及六個電子，即使其中子可能有六個或是八個，其化學特性幾乎相同。因此在化學上，是由原子序數來識別一化學元素的特性，而不是用其質量數。一般原子序數會寫在元素符號的左下方，但因為一個元素的原子序數是確定的，因此這個值很少會這樣寫出來。
粒子物理學是原子物理和原子核物理在高能領域的一個重要分支，相對於偏重於實驗觀測的原子核物理學，粒子物理更注重對基本粒子的物理本性的研究。就實驗方面而言，研究粒子物理所需的能量往往要比原子核物理所需的高得多，在回旋加速器發明以前，很多新粒子都是在宇宙射線中發現的，如正電子。1935年，日本物理學家湯川秀樹提出了第一個重要的核子間強交互作用的理論，從而解釋了原子核內的質子和中子如何束縛在一起的。在湯川的理論中，核子間的作用力是靠一種虛粒子——介子來完成的。介子所傳遞的強交互作用能夠解釋原子核為何不在質子間相對較弱的電磁斥力下崩塌，而介子本身具有的兩百多倍電子靜止質量也能解釋為什麼強交互作用相比於電磁交互作用具有短很多的作用範圍。1937年，安德森等人在宇宙射線中發現了質量約為電子靜止質量207倍的新粒子——緲子，人們起初以為緲子正是湯川預言的介子，從而稱之為μ介子。然而隨著研究發現，緲子和原子核的交互作用非常微弱，事實證明它只是一種輕子。1947年，英國布里斯托大學的物理學家塞西爾·鮑威爾等人通過對宇宙射線照相發現了質量約為電子靜止質量273倍的π介子，從而證實了湯川的預言。