En 1899, Ernest Rutherford, jeune physicien d'origine néo-zélandaise, découvre deux nouveaux types de radiations, moins pénétrantes que les rayons X, qu'il nomme rayons alpha et bêta. En 1903, faisant le lien entre ces rayonnements et les découvertes des Curie, il émet l'hypothèse que les éléments radioactifs réunis autour de l'uranium et du thorium seraient liés entre eux, l'élément le plus lourd perdant spontanément de sa substance par désintégration pour donner naissance à un élément plus léger et ainsi de suite. En 1911, à la suite d'une expérience devenue célèbre, Rutherford propose une nouvelle représentation de la structure de l'atome : un noyau chargé positivement autour duquel gravitent des charges négatives, les électrons. En utilisant la théorie quantique amorcée par l'Allemand Max Planck, le Danois Niels Bohr raffine le modèle de Rutherford en démontrant que les électrons ne s'effondrent pas sur le noyau par attraction mais restent à un niveau donné (modèle de Bohr). Enfin, en 1919, Rutherford prouve que le noyau de l'atome d'hydrogène est présent dans les autres noyaux et le nomme proton. Il propose ensuite l'existence dans le noyau, aux côtés des protons, de particules neutres, non chargées.