1911 में मैनचेस्टर विश्वविद्यालय में रदरफोर्ड ने एक बड़ी खोज की। एक पतली सोने की पन्नी द्वारा अल्फा कणों के प्रकीर्णन से जुड़े प्रयोग के परिणामों की व्याख्या करने के लिए, रदरफोर्ड ने परमाणु के अपने परमाणु मॉडल को पोस्ट किया। उन्होंने माना कि यह समझाने का एकमात्र तरीका है कि अल्फा कणों में से कुछ लगभग पीछे की ओर क्यों बिखरे हुए थे, यह मानकर कि परमाणु के लगभग सभी द्रव्यमान एक छोटे, सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए मध्य क्षेत्र में स्थित थे, जिसे उन्होंने नाभिक कहा था। और इसलिए, इस इतिहास-बदलते प्रयोग के साथ, नाभिकीय परमाणु की अवधारणा का जन्म हुआ। रदरफोर्ड परमाणु के पास एक छोटा केंद्रीय धनात्मक कोर था जिसमें लगभग सभी परमाणु द्रव्यमान थे। नाभिक विद्युत आवेश का संतुलन बनाए रखने के लिए उचित संख्या में इलेक्ट्रॉनों से घिरा हुआ था। डेनिश भौतिक विज्ञानी नील्स बोह्र (1885-1962) ने रदरफोर्ड के परमाणु के मॉडल को परिष्कृत किया। 1913 में, हाइड्रोजन परमाणु के बोह्र के मॉडल ने क्वांटम भौतिकी में उभरती अवधारणाओं के साथ रदरफोर्ड के नाभिकीय परमाणु को संयोजित किया। बोहर के अभिनव मॉडल ने परमाणु संरचना के आधुनिक सिद्धांत की शुरुआत को चिह्नित किया। 1911 में ऑस्ट्रियाई-अमेरिकी भौतिक विज्ञानी विक्टर हेस (1883-1964) द्वारा कॉस्मिक किरणों की खोज के बाद, वैज्ञानिकों ने उच्च ऊर्जा परमाणु इंटरैक्शन का अध्ययन करने के लिए कॉस्मिक किरणों का उपयोग किया। इस कार्य ने पृथ्वी के वायुमंडल को परमाणु नाभिक के रहस्यों में गहराई से और गहराई तक जांचने के लिए एक प्राकृतिक प्रयोगशाला के हिस्से के रूप में एकीकृत किया। एक अधिक पारंपरिक प्रयोगशाला वातावरण में, रदरफोर्ड ने 1919 में एक महत्वपूर्ण संक्रामण प्रयोग किया, जिसके दौरान उन्हें एक उत्सर्जित प्रोटॉन का एहसास हुआ जो कि हाइड्रोजन परमाणु का नाभिक था। अगले वर्ष, उन्होंने संभावना का सुझाव दिया कि एक प्रोटॉन के आकार का तटस्थ कण (जिसे न्यूट्रॉन कहा जाता है) परमाणु नाभिक में निवास कर सकता है। एक दशक से थोड़ा अधिक समय बाद, 1932 में, ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी सर जेम्स चैडविक (1891-1974) ने न्यूट्रॉन की खोज की। चाडविक के अनुसंधान ने भौतिकविदों को परमाणु परमाणु के मूल मॉडल को पूरा करने की अनुमति दी; अर्थात्, एक केंद्रीय, धनात्मक रूप से आवेशित नाभिक जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं जो परिक्रमा करने वाले इलेक्ट्रॉनों के घने संगठित बादल से घिरे होते हैं। न्यूट्रॉन की खोज ने एनरिको फर्मी जैसे वैज्ञानिकों द्वारा 1930 के दशक में न्यूट्रॉन से संबंधित परमाणु अनुसंधान की एक लहर को गति दी, जिसने हमेशा के लिए दुनिया को बदल दिया।