我們生活的世界，物質是由什麼構成的？古人很早就開始研究物質是連續的還是不聯繫的。每當我們看到流水時，似乎物質是連續的，但是如果你抽刀斷水，水又可以被攔腰切斷，似乎世界又可以被無限切分，又是不連續的。構成世界的物質的最小單位是什麼？組合結構又是咋樣的？這樣的組合結構能有什麼作用？現在我們都知道了構成物質的是分子。關於分子很重要的一點是分子是保持物質化學性質的最小粒子，是能夠獨立存在的。而分子是由原子構成的，單質分子由相同元素的原子構成，化合物分子由不同元素的原子構成。化學變化的實質就是不同物質的分子中各種原子進行重新結合。原子是化學變化中最小的微粒，但是原子並不是構成物質的最小粒子，原子是由什麼構成的呢？
原子結構
現在我們都知道：原子是由原子核和核外電子構成的，而原子核又是中子和質子構成的。
早在古希臘時代，亞里斯多德就曾寫下史上第一本被稱作《物理學》的書，他企圖藉由四元素解釋物體的運動（以及落體現象）。亞里斯多德相信所有物質都由以太，或另外的四元素所組成：土、水、風、火。而中國的五行說是：金、木、水、火、土，現在依然在使用，廣泛用於風水，佔卜，中醫等。根據亞里斯多德理論，這四個元素能夠相互轉換，並且朝向它們各自的自然位置移動。因此，石頭往宇宙中心（即地球中心）墜落，但火總是往地球外圍靠近。
古希臘時代的哲學家留基伯和他的學生德謨克利特是歷史上首先提出原子論的人，他們主張：所有物質都由原子和虛空組成，認為：任何一切物質皆由各種不可分割的稱為原子的元素所組成。留基伯的著作基本上都消失了，而德謨克利特的也剩下隻言片語。不過他們的原子論思想留了下來。
現代科學誕生後，牛頓就曾經嘗試用氣體原子衝入虛空來解釋氣體的膨脹。
牛頓
道爾頓利用原子相對質量來解釋了化學元素質量比的難題。原子是構成物質的最小單位的觀點開始廣泛的流傳起來。但反對的聲音從來沒有消停過。以恩斯特·馬赫為首的一些學者提出了質疑，他們認為，不可以把不能被直接觀察到的東西寫到理論當中去。
馬赫
而原子其實就是我們觀察不到的東西。這樣的質疑幾乎充斥著整個19世紀和20世紀初。天才物理學家玻爾茲曼曾利用原子假說建立了熱力學理論，但這個理論一直被當時的學者們所詬病。最終，玻爾茲曼無法忍受這些非難，而選擇了自殺。
玻爾茲曼
物理學家對粒子的定義是從粒子與周圍事物的關係開始的，J.J.湯姆遜在研究陰極射線時，通過加磁場、電場，發現陰極射線在磁場和電場中發生偏轉，而且可判斷帶負電。
J.J.湯姆遜通過當時已有的理論進行計算，得出電子的質荷比，成為第一個發現電子的人。
陰極射線管
如果你這個時候要去問J.J.湯姆遜電子到底長什麼樣子？他可能會說：這重要麼？我只要知道電子和周圍相互作用現象就可以了。說白了，J.J.湯姆遜的實驗只是發現了電子和螢光屏，電場，磁場之間的關係，再利用公式推出電子本身的性質。而沒有觸及到：電子本身的樣子。後來，關於粒子所有的實驗，都沒有能夠觸及到粒子本身的樣子，實驗的現象都是基於粒子與周圍事物的關係而產生的，再套用公式去得出我們想要的物理量。
有趣的是，J·J·湯姆森證明「電子是粒子」，獲得1906年的諾貝爾物理學獎；而他的兒子G·P·湯姆森證明了「電子是波」，獲得了1937年的諾貝爾物理學獎。
在早期的放射性研究中，盧瑟福已經發現放射性物質所發出的射線實際屬於不同的種類，他把帶正電的命名為α射線，把帶負電的命名為β射線，把那些不受磁場影響的電磁波稱為γ射線。1910年，盧瑟福用α粒子轟擊原子，發現了原子核的存在，從而建立了原子的核式結構模型，也就是行星模型。
盧瑟福
如果原子有核，那麼原子核是由什麼構成的呢？由於原子表現出電中性，電子帶負電，那麼，原子核一定是帶正電的，其帶電量與核外電子所帶負電量一樣。1914年，盧瑟福用陰極射線轟擊氫，結果使氫原子的電子被打掉，變成了帶正電的陽離子，它實際上就是氫的原子核。盧瑟福推測，它就是人們從前所發現的與陰極射線相對的陽極射線，它的電荷量為一個單位，質量也為一個單位，盧瑟福將之命名為質子。
1919年，盧瑟福用加速了的高能α粒子轟擊氮原子，結果發現有質子從氮原子核中被打出，而氮原子也變成了氧原子。這可能是人類第一次真正將一種元素變成另一種元素，幾千年來鍊金術士的夢想第一次成為現實。但是，這種元素的嬗變暫時還沒有實用價值，因為幾十萬個粒子中才有一個被高能粒子打中。到1924年，盧瑟福已經從許多種輕元素的原子核中打出了質子，進一步證實了質子的存在。
發現了電子和質子之後，人們一開始猜測原子核由電子和質子組成，因為α粒子和β粒子都是從原子核裡放射出來的。但盧瑟福的學生莫塞萊（1887—1915年）注意到，原子核所帶正電數與原子序數相等，但原子量卻比原子序數大，這說明，如果原子核只由質子和電子組成，它的質量將是不夠的，因為電子的質量相比起來可以忽略不計。基於此，盧瑟福早在1920年就猜測可能還有一種電中性的粒子，預言了中子的存在。
盧瑟福並沒有因此獲得物理學諾貝爾獎，但是他在1908年，獲得過諾貝爾化學獎。盧瑟福的偉大不僅在科學研究上，盧瑟福還是一位非常偉大的教育家，在他門下獲得諾貝爾獎的學生和助手就有近十個。比如:著名的量子力學創始人波爾、中子的發現者查德威克、電子波動性的證明者G·P·湯姆森、正電子的發現者布萊克特等等。現在我們知道，原子核一般由中子和質子構成，所以不得不佩服那一代科學家的遠見。
查德威克
盧瑟福的另一位學生查德威克（1891—1974年）就在卡文迪許實驗室裡尋找這種電中性粒子，他一直在設計一種加速辦法使質子獲得高能，從而撞擊原子核，以發現有關中性粒子的證據。1929年，他準備對鈹原子進行轟擊，因為它在α粒子的撞擊下不發射質子，有可能分裂成兩個α粒子和一個中子。
與此同時，德國物理學家波特及其學生貝克爾已經先走一步。從1928年開始，他們就在做對鈹原子核的轟擊實驗，結果發現，當用α粒子轟擊它時，它能發射出穿透力極強的射線，而且該射線呈電中性。但他們斷定這是一種特殊的γ射線。在法國，居裡夫人的女婿和女兒約裡奧—居裡夫婦也正在做類似的實驗，波特的結果一發表，就被他們進一步證實了，但他們也誤認為新射線是一種γ射線。
這一年是1932年，見到德國和法國同行的實驗結果後，查德威克意識到這種新射線很可能就是多年來苦苦尋找的中子。他立即著手實驗，花了不到一個月的時間，就發表了「中子可能存在」的論文。他指出，γ射線沒有質量，根本就不可能將質子從原子核裡撞出來，只有那些與質子質量大體相當的粒子才有這種可能。其次，查德威克用雲室方法測量了中子的質量，還確證了中子確實是電中性的。中子就這樣被發現了。約裡奧—居裡後來談到，如果他們去聽了盧瑟福於1932年在法國的一次演講，就不會坐失這次重大發現的良機，因為盧瑟福那次正好講到自己關於中子存在的猜想。查德威克由於發現中子而獲1935年度諾貝爾物理獎。
原子結構