法国人贝克勒尔 (Henri Becquerel, 1852-1908) 于1896年在研究荧光现象时偶然发现铀盐会让包好的感光底片曝光。卢瑟福研究发现有两种粒子，可记为α和β粒子，后者的穿透能力更强，1899年卢瑟福发表了他的研究结果。1900年，贝克勒尔测量了β粒子的荷质比，发现它就是阴极射线。1920年卢瑟福假设带正电的原子核是由带正电的质子和一些中性粒子组成，中性粒子是由质子和绕其运动的电子组成。这个假设以那时拥有的知识来看是合理的，此时阴极射线被发现已经20多年了。这是冲着解释原子核质量多于质子质量和这个问题去的。
1931年，Walther Bothe和Herbert Becker用α粒子轰击锂、铍、硼等轻元素，发现经常会打出一种辐射粒子，穿透力极强，他们认为这是γ射线。小居里夫妇用这种射线轰击石蜡等含氢物质，会得到高能质子。查德威克通过一系列实验确认这种射线是不带电的、质量与质子相同的 (当时是如何确定质子质量的？这其实是一个难题)，确认其为中子。1932年中子被发现。此前的中子是基本粒子，其由电子加质子构成的模型被从统计行为角度的考虑否决了。当然了，中子可以蜕变为质子加电子还有一个反电子中微子，
到此时，原子和原子核的图像算是清楚了。原子由带正电、集中了几乎全部质量的原子核和核外电子组成。原子核由质子和中子组成，中子的数量在质子数量附近分布。原子核不稳定，会自发放射出α和β粒子，还伴随有γ粒子(法国化学家Paul Villard在1900年研究镭的放射性时发现的，1903年由卢瑟福命名)的发射。Α，β和γ粒子分别是氦原子核、电子和光子，它们的特征，也是被区分、被发现的理由是，α粒子穿透力弱且可被电场偏转，β粒子穿透力强且可被电场偏转，而γ粒子穿透力极强且不可被电场偏转。
原子核的研究一时成了物理和化学研究的最前沿。
2 质能关系
质能关系由庞加莱在研究电磁场的物理时于1900年提出。在意大利人德·普莱托1903年的文章中，公式 E=mc2 已现身影，源于对以太和放射性问题的研究。德·普莱托注意到，几乎没有动能的原子核，其放射出来的粒子却具有极大的动能。如果人们坚信能量守恒的话，放射性粒子的巨大动能必须有个来处。以太一直在平衡位置附近连续振动，而这个快速运动应该为原子或者分子甚至亚原子粒子所接收到。如果整个物体都被无限小尺度上的运动激发了，非常快，象以太一样，那么可以认为这块物体隐含着由这个物体的内部质量所表示的那么一坨能量。1904年，奥地利人哈瑟诺尔 (Friedrich Hasenöhrl，1874-1915) 计算空腔里的热辐射压力效果，得出的结果是，拥有辐射能量的空腔的质量有一个
关于质能关系，请参阅拙著《相对论少年版》第七章。
3 核裂变与核能应用
相较于电子和质子，中子是合适的用于轰击原子核的抛射体，质量比电子大又不会如质子那样被原子核静电排斥，速度不大的中子就能进入原子核。中子甫一发现，费米 (Enrico Fermi, 1901-1954) 就认识到了这一点。用α粒子轰击原子核，比如铝原子核，会让一些原来没有放射性的原子核有了放射性，这就是小居里夫妇1934年发现的人工放射性。费米用中子进行诱导人工放射性的研究，把眼光瞄向了重原子核，当时已知最重的原子核是铀原子核 U-238 (Z=92)。入射中子被原子核俘获，据信就产生了一个质量更大的原子核。费米对此(含糊的)结果很高兴。然而，1938年费米携全家去领诺奖，借机离开欧洲去了美国，这项工作被打断了。
同时期有很多人研究中子轰击原子核，包括小居里夫妇, 一位德国化学家哈恩 (Otto Hahn，1879-1968)和他的奥地利女助手迈特纳 (Lise Meitner，1878-1968)。后来迈特纳于1938年逃离德国去了斯德哥尔摩。哈恩和助手Fritz Strassmann继续这项工作，但是他们发现结果总会产生元素钡 (Ba, Z=56)，这太奇怪了。迈特纳是维也纳大学的物理博士，应该更懂核物理，故哈恩把发现写信告诉了迈特纳。迈特纳在和表侄Otto Frisch，其人当时在玻尔研究所，讨论这个问题时，后者提及玻尔曾说原子核可能不一定是卢瑟福设想的是硬核，而是跟水滴一样是柔软的。迈特纳假设原子核是水滴状的，振荡、拉长、分裂 (图1)，她算了算一个原子核分裂事件能释放200MeV (计算在某本书里还被当作例题了。原谅笔者很难相信那个计算是正确的)。迈特纳马上想到这个释放的能量来自质量 (损失)。Frisch的一个朋友告诉他这个分裂类似细胞分裂，于是他用了fission 一词儿来描述核裂变。Frisch 和迈特纳的文章五周后发表在Nature上。迈特纳发表这篇文章没告诉哈恩，哈恩的文章略在前，但没有裂变模型的内容。哈恩因核裂变现象的发现获得1944年的诺贝尔化学奖。
