正当波尔致力于研究电子在原子中的运动状态时，英国卢瑟福及其学生查德威克（JamesChadwick，1891—1974年）进一步揭开原子核的秘密。
1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，首次发现质子。
由此知道原子核中存在质子。他根据原子核质量，提出还存在中子的假说，并预言中子呈电中性，周围不形成电场，不会使周围粒子带电，它的穿透力比α粒子强。
1930年卢瑟福的学生查德威克在卡文迪许实验室用α粒子轰击石蜡时，捕捉到不显电性的中子。至此，原子的构成基本清楚。原子核由带正电的质子和不显电性的中子组成，带负电的电子环绕核作高速运动。
1924年法国科学家德布罗意（1892—1960年）发现微观世界的微粒在不同条件下分别表现为波动和粒子的性质，即有波粒二象性。这一发现表明过去人们在研究微观粒子的运动规律时忽略波动性一面，因而得出的结果不能真实地反映微观粒子的运动规律。纠正了这一偏向后，人们的研究取得很大的成功。其中尤其突出的是薛定谔，他建立波动方程（后来人称薛定谔方程）。在此基础上，迅速发展一门新的学科——量子力学。这是现代研究原子、分子结构的理论基础。
总之，从19世纪末到今天，人们已建立起一整套描述原子内在结构的理论和方法，使化学迅速进入微观领域的研究。
道尔顿与原子论
关于物质是由许多微小的、单个的粒子组成的论说，早在远古时代哲学家们就已经提出了。公元前5世纪，我国著名哲学家墨翟就指出：物质到了没有一半的时候，就不能斫开它了。物质如果没有可分的条件，那就不能分了。一切物质都是由最小的单位“端”组成的。同时，希腊哲学家德谟克利特认为：宇宙万物皆由大量的极微小的、硬的、不可穿透的、不可分割的粒子所组成。他称这些粒子为原子。
18世纪末，随着工业革命的发展，对物质化学成分和化学反应过程的研究只有深入到物质结构领域，才能进一步获得成效。英国科学家道尔顿把古代模糊的原子假说发展为科学的原子理论，为近代化学的发展奠定了重要的基础。恩格斯曾誉称他为“近代化学之父”。
道尔顿出生在英国坎伯兰的一个贫困的乡村，他的父亲是一个纺织工人。当时正值第一次工业革命的初期，很多破产的农民沦为雇用工人。道尔顿一家的生活十分困顿，道尔顿的一个弟弟和一个妹妹都因为饥饿和疾病而夭折。道尔顿在童年根本没有读书的条件，只是勉强接受了一点点初等教育，10岁时，他就去给一个富有的教士当仆役。也许这也算是命运赐予他的一次机会吧，在教士家里他读了一些书，增长了很多知识。于是两年后，他被推举为本村小学的教师。
1781年，年仅15岁的道尔顿随哥哥到外地谋生。不久后，他就成为了肯达耳中学的教师。在教学之余，他一边系统地自学科学知识，一边进行气象观察。在这里他还结识了著名学者豪夫（JohannHauf），他从豪夫那里学习了很多知识，教学水平迅速提高，四年以后，便成为了肯达耳中学的校长。1793年，在豪夫的推荐下，道尔顿又受聘于曼彻斯特的一所新学院。在这里他出版了自己的第一本科学著作——《气象观察与研究》。第二年，他在罗伯特·欧文的推荐下成为曼彻斯特文学哲学会的会员。
1799年，为了把大部分精力投入到科学研究中去，道尔顿离开了学院。他在几个富人家里做私人教师，每天教课时间不超过两小时。这样，既能谋生又保证了他的科研工作。现在，他越来越重视对气体和气体混合物的研究。道尔顿认为，要说明气体的特性就必须知道它的压力。他找到两种很容易分离的气体，分别测量了混合气体和各部分气体的压力。结果很有意思，装在容积一定的容器中的某种气体压力是不变的，引入第二种气体后压力增加，但它等于两种气体的分压之和，两种气体单独的压力没有改变。于是道尔顿得出结论：混合气体的总压等于组成它的各个气体的分压之和。道尔顿发现由此可以做出某些重要的结论，气体在容器中存在的状态与其他气体无关。用气体具有微粒结构来解释就是，一种气体的微粒或原子均匀的分布在另一种气体的原子之间，因而这种气体的微粒所表示出来的性质与容器中没有另一种气体一样。道尔顿开始更多的研究关于原子的问题，他顽强进行研究工作，寻找资料、动手实验、不断的思考……
1803年9月6日，道尔顿在他笔记中写下了原子论的要点：
（一）原子是组成化学元素的、非常微小的、不可在分割的物质微粒。在化学反应中原子保持其本来的性质。
（二）同一种元素的所有原子的质量以及其他性质完全相同。不同元素的原子具有不同的质量以及其他性质。原子的质量是每一种元素的原子的最根本特征。
（三）有简单数值比的元素的原子结合时，原子之间就发生化学反应而生成化合物。化合物的原子称为复杂原子。
（四）一种元素的原子与另一种元素的原子化合时，他们之间成简单的数值比。
同年10月21日，道尔顿报告了他的化学原子论，并且宣读了他的第二篇论文《第一张关于物体的最小质点的相对重量表》。道尔顿的理论引起了科学界的广泛重视。他应邀去伦敦讲学，几个月后又回到曼彻斯特继续进行测量原子量的工作。有些时候，道尔顿也遇到一些困难。有些物质被氧化后生成不同的氧化物，这是一种难解释的现象，当然前人已经进行了分析化验，为了进行计算，道尔顿就只能利用这些结果；有时他在原始文献中发现的结果只是由一位科学家测得的，为了保证可靠性，道尔顿就再做一次分析。道尔顿所得出的原子量有很多是不准确的，但实际上他所计算出来的正是今天所谓的当量。例如他把氧的原子量确定为7而不是16。
1804年以后，道尔顿又对甲烷和乙烯的化学成分进行分析实验，他发现，甲烷中碳氢比是4．3∶4；而乙烯中碳氢比是4．3∶2。他由此推出碳氢化合的比例关系，并发现了倍比定律：相同的两种元素生成两种或两种以上的化合物时，若其中一种元素的质量不变，另一种元素在化合物中的相对重量成简单的整数比。道尔顿认为倍比定律既可以看作是原子论的一个推论，又可以看作是对原子论的一个证明。
1807年，汤姆逊在它的《化学体系》一书中详细的介绍了道尔顿的原子论。第二年道尔顿的主要化学著作《化学哲学的新体系》正式出版。书中详细记载了道尔顿的原子论的主要实验和主要理论。自此道尔顿的原子论才正式问世。
在科学理论上，道尔顿的原子论是继拉瓦锡的氧化学说之后理论化学的又一次重大进步，他揭示出了一切化学现象的本质都是原子运动，明确了化学的研究对象，对化学真正成为一门学科具有重要意义，此后，化学及其相关学科得到了蓬勃发展；在哲学思想上，原子论揭示了化学反应现象与本质的关系，继天体演化学说诞生以后，又一次冲击了当时僵化的自然观，为科学方法论的发展、辩证自然观的形成以及整个哲学认识论的发展具有重要意义。
原子论建立以后，道尔顿名震英国乃至整个欧洲，各种荣誉纷至沓来，1816年，道尔顿被选为法国科学院院士；1817年，道尔顿被选为曼彻斯特文学哲学会会长；1826年，英国政府授予他金质科学勋章；1828年，道尔顿被选为英国皇家学会会员；此后，他又相继被选为柏林科学院名誉院士、慕尼黑科学院名誉院士、莫斯科科学协会名誉会员，还得到了当时牛津大学授予科学家的最高荣誉——法学博士称号。在荣誉面前，道尔顿开始还是冷静的、谦虚的，但是后来荣誉越来越高，他逐渐改变了，变得骄傲、保守，最终走向了思想僵化、固步自封。
1808年，法国化学家吕萨克在原子论的影响下发现了气体反应的体积定律，实际上这一定律也是对道尔顿的原子论的一次论证，后来也得到了其他科学家的证实并应用于测量气体元素的原子量。但是吕萨克定律却遭到了道尔顿本人的拒绝和反对，他不仅怀疑吕萨克的实验基础和理论分析，还对他进行了严厉的抨击。1811年，意大利物理学家阿佛伽德罗建立了分子论，使道尔顿的原子论与吕萨克定律在新的理论基础上统一起来。他也遭到了道尔顿无情的反驳。1813年，瑞典化学家贝齐利乌斯创立了用字母表示元素的新方法，这种易写易记的新方法被大多数科学家接受，而道尔顿一直到死都是新元素符号的反对派。
虽然道尔顿的后半生科学贡献不大、甚至阻挠别人的探索，人们还是给予了他深切的怀念。
人们为了纪念道尔顿，以他的名字作为原子质量单位。
在生物化学、分子生物学和蛋白组学中经常用D或KD，定义为12C原子质量的1/12，1D＝1/Ng，NA为阿佛伽德罗常数。
此外，道尔顿在气象学、物理学上的贡献也十分突出。他是一个气象迷，自1787年在担任初中物理教员时开始连续观测气象，从不间断地坚持了56年，一直到临终前几小时为止，他的全部记录超过20多万条。27岁时出版了《气象观测与研究》一书。书中描绘了气压计、温度计、湿度计等一起装置，巧妙地分析了降雨和云的形成过程、水蒸发过程、大气层降水量的分布等现象，深受读者喜爱。1801年还提出气体分压定律，即混合气体的总压力等于各组分气体的分压之和。他还测定水的密度和温度变化关系和气体热膨胀系数相等等。遗憾的是，道尔顿曾固执地反对为他解围的阿佛伽德罗分子学说而传为“笑话”。
原子结构模型发展历史
1808年，道尔顿模型，原子是一个坚硬的小球。原子“绝对不可再分”的观点在19世纪末受到了新的科学发现的冲击。1879年，英国著名物理学家和化学家克鲁克斯（1832—1919年）在高真空放电管中发现了一种带负电荷的粒流——“阴极射线”；1879年，英国剑桥大学物理学家汤姆生利用阴极射线能被电场和磁场联合偏转的作用，测定了这种粒子的荷质比（即电荷与质量之比），实验表明，不论电极用什么材料制成和在阴权射线管中充以什么样的气体，生成带负电的粒子其荷质比都是相同的，说明它是原子的共同组成部分，称之为电子。
1903年电子发现者汤姆生提出一个原子的“葡萄干面包”模型，认为电子嵌在原子中，如同葡萄干嵌在面包中一样。
同年，物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透，提出了电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，被他称为“土星型模型”结构。
1909年，英国物理学家卢瑟福用一束高能的带正电的氦离子流轰击薄金箔时发现，绝大多数粒子几乎不受阻碍而直接通过金箔，说明原子内部很空旷；但也有极少数（约万分之几）粒子穿过金箔后发生偏转，个别粒子偏转程度较大，甚至被反弹回来。卢瑟福设想，这是由于原子中存在一个几乎集中了原子全部质量并带正电荷的极小的核，是它对粒子产生了静电排斥作用。1911年，卢瑟福提出了原子结构的“核式模型”：每个原子中心有一个极小的原子核，几乎集中了原子的全部质量并带有Z个单位正电荷，核外有Z个电子绕核旋转，电子绕核如同行星绕日运行，因此这一模型也被称为“行星式模型”。
后来由于对原子光谱的深入研究和量子力学的出现，才逐步形成了现代原子结构理论。
卢瑟福的趣闻轶事
1．有个外号叫“鳄鱼”
卢瑟福从小家境贫寒，通过自己的刻苦努力，这个穷孩子完成了他的学业。这段艰苦求学的经历培养了卢瑟福一种认准了目标就百折不回勇往直前的精神。后来学生为他起了一个外号——鳄鱼，并把鳄鱼徽章装饰在他的实验室门口。因为鳄鱼从不回头，他张开吞食一切的大口，不断前进。
2．摇身一变成为“化学家”
1908年，卢瑟福获得该年度的诺贝尔化学奖，他对自己不是获得物理学奖感到有些意外，他风趣地说：“我竟摇身一变，成为一位化学家了。”“这是我一生中绝妙的一次玩笑！”
3．杰出的学科带头人
卢瑟福还是一位杰出的学科带头人，被誉为“从来没有树立过一个敌人，也从来没有失去一位朋友”的人。在他的助手和学生中，先后荣获诺贝尔奖的竟多达12人。1912年度诺贝尔物理学奖的获得者玻尔曾深情地称卢瑟福是“我的第二个父亲”。科学界中，至今还传颂着许多卢瑟福精心培养学生的小故事。
4．是我制造了波浪
卢瑟福属于那种“性格极为外露”的人，他总是给那些见过他的人留下深刻的印象。他个子很高，声音洪亮，精力充沛，信心十足，并且极不谦虚。当他的同事评论他有不可思议的能力并总是处在科学研究的“浪尖”上时，他迅速回答道：“说得很对，为什么不这样？不管怎么说，是我制造了波浪，难道不是吗？”几乎所有的科学家都同意这一评价。
卢瑟福的一生
卢瑟福1871年8月30日生于新西兰纳尔逊附近的泉林村。父亲是农民和工匠，母亲是乡村教师。他在小学就对科学实验产生了兴趣。由于成绩优秀，学习期间曾获一系列奖学金。1894年从坎特布雷学院毕业时，以该校空前的数学和物理双第一名的成绩获硕士学位，还因无线电实验研究方面有成绩获理学学士学位。毕业后，留校工作一年。1895年考取大英博览会奖学金，进英国剑桥大学卡文迪许实验室学习。开始时是以研究无线电为主，用自己的发射器和检波器实现了3．2km的收发距离。意大利人马可尼后来的成就中包括了对卢瑟福检波器的改进，但卢瑟福不计较个人名利，未与马可尼争无线电发明的优先权，还在1932年5月3日向马可尼颁发奖章时赞扬了马可尼的功绩。
1896年春末，卢瑟福接受卡文迪许实验室主任JJ汤姆生的建议，把研究方向转到放射性上。1897年卢瑟福发现，铀射线由两种成分组成，一种是易被吸收的射线，他称之为α射线；另一种是穿透性强的射线，他称之为β射线。同时他还根据实验预言，可能存在一种穿透能力更强的射线，这就是后来发现的并由他命名的γ射线。
