從20世紀初期到30年代，原子結構理論已基本建立。
人們已經知道，原子是由位於中心的原子核和圍繞原子核旋轉的電子構成的，而且原子核和電子以及電子之間存在以電磁場為媒介的電磁相互作用。日常物質的各種物理和化學性質，幾乎都可以用這種原子結構和電磁相互作用來說明。當時，除了電磁相互作用的一個根本問題--發散困難還未解決之外，人們已完全掌握了關於原子結構的正確知識。原子的直徑約是10-10米，而原子核的大小卻隻有10-15米。如果把原子比為一幢大廈，那麼原子核隻有一粒芝麻那麼小。可是對天然放射性現象的研究卻表明，當時已發現的3種射線--a射線、β射線和γ射線都是從原子核中放射出來的，這至少可以說明原子核本身並不是不可再分割的實體。放射現象的發現給人們提供了關於原子核內部的重要信息，也揭示出原子核是個複雜的複合物。
關於原子核結構的現象，有一個非常突出的特征，就是所放出的能量非常大，和基於電磁相互作用的原子現象相比較，可以大到上千倍甚至10萬倍以上。從原子核中放出這麼大的能量，這表明原子核內部的作用力非常強。因此，為了準確了解原子核的結構，就要用能量很大的粒子作“炮彈”，將原子核打碎，然後看它會變成什麼。在當時的情況下，一種最好的辦法就是利用天然放射性元素放射出的a粒子來作這種炮彈。
1917年，盧瑟福用這種方法首先實現了核的分裂。當時，他仍在曼徹斯特。一次，在出席戰時研究委員會會議時他遲到了，他解釋說：“我正在從事一些實驗，它們暗示可以用人工方法分裂原子核。如果這是真的，它遠遠比戰爭重要得多！”當時盧瑟福和助手正在用火花閃爍法進行一項實驗，他們將粒子向鍍有硫化鋅的屏上射去，每擊中一下，就產生一個小小的火花，所以單個粒子碰到板上就可直接用眼睛看到，也能數出數目來。為了進行這種計數，盧瑟福和他的助手必須先在黑暗中靜坐15分鍾，使他們的眼睛感覺敏銳了，然後再靜心地計數。有的實驗人員在采用這種方法時，在中間放一個金屬盤，使a粒子不能到達鍍硫化鋅的屏板，這樣，也就不出現火花了。但是當把氫引入儀器中時，盡管有金屬盤擋著，屏上仍然出現火花，不過，這些新的火花與a粒子所產生的火花在表現形式上有所不同。據推測，這些在屏上產生新火花的是高速質子。也就是說，這時a粒子常常會擊中一個個氫原子核（質子），由於質子比較輕，它就會高速運動。a粒子被金屬盤擋住了，但高速質子卻能穿過金屬盤，打到硫化鋅的屏上。可是出乎意料的是，當盧瑟福用氮代替氫來作a粒子轟擊的目標時，硫化鋅屏上仍然會出現火花，而且完全像是質子產生的。盧瑟福想到用威耳遜雲室來分析a粒子轟擊氮核時發生的情況，結果，他發現a粒子所留下的徑跡在終止處呈叉狀。這說明它與一個氮核發生了碰撞，其中的一個叉比較細，這表明有一個質子飛射出去，另一個叉又短又粗，表明氮核的餘留部分在碰撞後彈跳回來。但這裏沒有a粒子的蹤跡。看來，它必定為氮核所吞並。這一點後來由布萊克特所證實。盧瑟福最早實現的人工核反應過程是氮核的分裂。在高速a粒子轟擊下，氮的原子核轉變為氧的原子核，同時放出一個質子。這樣，盧瑟福不僅首次實現了元素的人工轉變，而且還發現原子核中含有質子，這使人們對核結構的認識更進了一步。
既然質子是原子核的組成部分，又由於原子核的質量大體是質子質量的整數倍，所以，很快就有人提出原子核是由質子構成的。但是不久就發現這種想法站不住腳。如果原子核隻是由質子構成的，原子核的電荷以質子電荷為單位時，應當正好是等於質量數。而實際上原子核的電荷大約隻是質量數的一半或者更少一些。後來又想到人們早就發現的原子核能發射β射線（即電子），於是人們開始普遍認為原子核是由質子和電子構成的。1920年，根據當時已知的事實，盧瑟福在英國皇家學會的第二次貝克裏安演講中對許多新型的原子核作了猜測，但他想像它們全是由質子和電子構成的。為了解釋原子核的質量數與電荷數不等的事實，他猜測在原子核中可能存在著與質子質量差不多但不帶電荷的中性粒子（先取名為中子）。不過，這種中性粒子仍被認為是一個質子和一個電子的複合物。為什麼原子內的電子有的被緊緊束縛在尺度為10-15米的很小的核內，而有的則在核外足夠大的空間軌道上旋轉？這個很容易就能想到的問題卻曆經多年難以解決。