نظرية ذرية التاريخ
أجرى جوزيف جون طومسون في العام ذاته تجربةً مرر فيها تياراً من أيون النيون عبر مجالات مغناطيسية وكهربائية ليصطدم هذا التيار بلوحة فوتوغرافية في الطرف المقابل. لاحظ طومسون بقعتين متوهجتين على اللوحة، واقترح مساري انحراف مختلفين. اقترح طومسون تفسيراً بأن لبعض أيونات النيون كتلة ولبعضها الآخر كتلة أخرى. تم تفسير هذا الاختلاف في الكتل عند اكتشاف النيترونات عام 1932.
قام رذرفورد عام 1917 بقصف غاز النيتروجين بجسيمات ألفا ولاحظ نوى الهيدروجين المنبعثة من الغاز (عرف رذرفورد هذا مسبقاً لأنه قام بقصف الهيدروجين بجسيمات ألفا، وحصل على نوى الهيدروجين ضمن النواتج). خلص رذرفورد إلى أن نوى الهيدروجين نشأت من نواة ذرات النيتروجين نفسها (في الواقع، قسم رذرفورد النيتروجين عبر قصفه).
عرف رذرفورد من خلال عمله الخاص وعمل طلابه بور وهنري موسيلي أن الشحنة الإيجابية لأي ذرة يمكن دائماً أن تكون مساوية لشحنة عدد صحيح من نوى الهيدروجين. بالإضافة إلى أن الكتلة الذرية للعديد من العناصر تعادل تقريباً عدداً صحيحاً من كتلة نواة ذرة الهيدروجين-التي افترض لاحقاً أنها أخف الجسيمات- وهذان الاستنتاجان قاداه إلى استنتاج أن نوى الهيدروجين جسيمات مفردة ومكونات أساسية تدخل في تركيب جميع نوى الذرات. أسمى رذرفورد هذه الجسيمات البروتونات. وجد رذرفورد فيما بعد من خلال تجارب لاحقة أن الكتلة النووية لمعظم الذرات تتجاوز كتلة بروتونات تلك الذرة، لذا تكهن بأن الكتلة الفائضة تعود إلى جسيمات غير مشحونة غير معروفة أسماها نيوترونات.
لاحظ فالتر بوته عام 1928 أن البريليوم عند قصفه بجسيمات ألفا يصدر إشعاعاً شديد الاختراق ومحايد كهربائياً. اِعتُقِد بدايةً أنه إشعاع غاما عالي الطاقة بسبب تشابه التأثير على إلكترونات المعادن، إلا أن جيمس شادويك وجد أن التأين كان أشدّ من أن يُعزى إلى إشعاع كهرطيسي، حيث تم حفظ الطاقة والزخم خلال التفاعل. عام 1932، كشف شادويك عن عناصر متنوعة كالهيدروجين والنيتروجين بإشعاع البريليوم الغامض وقام بقياس طاقة الجسيمات المشحونة المرتدة، واستنتج بناءاً على ذلك أن الإشعاع يتكون فعلاً من جسيمات محايدة كهربائياً ومن غير الممكن أن تكون عديمة الكتلة كأشعة غاما، وبدلاً من كونها أشعة غاما ادعى شادويك أن هذه الجسيمات هي نيوترونات رذرفورد. وقد حصل تشادويك على جائزة نوبل عام 1935 لاكتشافه النيوترون.
اقترح لويس دي بروي عام 1924 أن جميع الجسيمات المتحركة-و خاصة الجسيمات دون الذرية كالإلكترونات- تظهر سلوكاً شبيهاً بالموجة. حاول إرفين شرودنغر المفتون بهذه الفكرة استكشاف فيما إذا كان من الممكن تفسير حركة الإلكترون في الذرة على نحو أفضل كموجة بدلاً من تفسيرها كجسيم. نشر شرودنجر معادلته الشهيرة عام 1926، وتصف هذه المعادلة الإلكترون كدالة موجية بدلاً من جسيم نقطي. تنبأ هذا النهج بالعديد من الظواهر الطيفية التي فشل نموذج بور في شرحها. وعلى الرغم من أن النموذج كان مقنعاً رياضياً إلا أنه كان صعب التصور ولقي معارضةً. أحد المنتقدين كان ماكس بورن، واقترح بورن أن دالة موجة شرودنجر لم تصف الإلكترون بل وصفت جميع حالاته الممكنة، وبالتالي يمكن استخدام دالة شرودنجر لحساب احتمال العثور على إلكترون في مدار معين حول النواة. مهد هذا التوفيق بين نظريتين متعارضتين (الجسيم والموجة) إلى فكرة ازدواجية موجة-جسيم. على سبيل المثال ينكسر كالموجة ويمتلك كتلة كالجسيم.
نظراً لوصف الإلكترونات بالشكل الموجي أصبح من المستحيل رياضياً في الوقت ذاته حساب موضع وزخم الإلكترون، عُرف هذا فيما بعد بمبدأ الريبية لهايزنبرغ بعدما قدمه للمرة الأولى الفيزيائي النظري فيرنر هايزنبيرغ وقام بنشره عام 1927. أبطل هذا نموذج بور ذو المدارات الدائرية المحددة بوضوح، حيث يصف النموذج الذري الحديث مواضع الإلكترونات في الذرة باحتمالات. حيث يمكن للإلكترون أن يتواجد على بعد أي مسافة من النواة، ولكن اعتماداً على مستوى الطاقة فإنه وبشكل أكثر تواتراً سيتواجد في مناطق معينة حول النواة دون غيرها، ويشار إلى هذه المناطق بالمدار الذري. تأتي المدارات بأشكال متعددة كالكرة أو الدمبل أو الطارة بالإضافة إلى نواة في الوسط.