ise, Albert Einstein bu Brown hareketinin su moleküllerinin polen taneleriyle sürekli olarak çarpışmasından dolayı olduğunu teori haline getirdi ve bunu açıklamak için tahmini bir matematiksel model geliştirdi. Bu model Fransız fizikçi Jean Perrin tarafından 1908 yılında deneysel olarak doğrulandı ve dolayısıyla parçacık teorisi için ekstra doğrulanma sağladı

J. J Thomson'un katot ışınları üzerine çalışmalarıyla elektronu 1897 yılında keşfine kadar atomların mümkün olan en küçük bölüm olduğu düşünülüyordu.

Crookes tüpü, iki elektrotun boşlukla ayrıldığı camdan yapılan bir koruyucudur. Bu elektrotlar arasına bir potansiyel fark uygulandığında, katot ışınları elde edilir ve bu ışınlar tüpün son kısmında cama vurduklarında parlayan bir iz bırakır. Deneyler sonucunda, Thomson bu ışınların bir elektrik alan altında saptırılabildiğini fark etti (zaten bilinmekte olan manyetik alana ek olarak). Thomson, bu ışınların ışığın yeni bir formu olmadığını, daha çok "küçük tanecik" (daha sonrasında bilim adamları tarafından elektron olarak yeniden adlandırılacaktı) adını verdiği negatif yüklü ve oldukça hafif parçacıklardan oluştuğu sonucuna vardı. Kütle-yük oranlarını hesapladı ve bilinen en küçük atom olan hidrojeninkinden 1800 kat daha küçük olduğunu gördü. Bu küçük tanecikler, daha önce bilinen hiçbir parçacığa benzemiyordu.

Thomson daha sonra atomların bölünebilir olduğunu ve bu küçük taneciklerin de yapı taşı olduğunu öne  sürdü. Atomun bütünündeki nötr yapıyı açıklamak için ise, bu küçük taneciklerin, düzgün bir şekilde dağılmış pozitif yük denizinde aralara dağıtılmış şekilde bulunduğunu savundu,  açıklama genel nötr sorumlu olan atom, teklifini yaptı, o yuvarları dağıtıldı önlük deniz pozitif. Elektronlar, pozitif yükler arasında aynı bir tatlıdaki meyveler gibi gömülü bulunduğu için bu modele  erikli puding modeli denmiştir. (AslındaThomson modelinde sabit değillerdir). 

Thomson erik puding modeli, eski öğrencilerinden biri olan ve kütlenin büyük kısmının ve pozitif yükün atom içerisinde çok küçük bir hacimde yoğun olarak bulunduğunu keşfeden ve bununda atomun merkezi olduğunu düşünen  Ernest Rutherford tarafından çürütülmüştür. 

Geiger–Marsden deneyinde, Hans Geiger ve Ernest Marsden (Rutherford'ın emrinde çalışan meslektaşları) ince metal levhalara alfa parçacıkları fırlattılar ve sapmalarını floresan ekran kullanarak ölçtüler. Erikli Puding modelin öngördüğü üzere; çok küçük kütleye sahip elektronlar ve yüksek momentuma sahip alfa parçacıkları, her yere dağıldığı için az yoğunlukta olan pozitif yük dağılımı bilgileriyle, deneyciler bütün alfa parçacıklarının metal levhayı kayda değer bir sapma olmadan geçmesini beklediler. Şaşkınlığa uğratacak şekilde, alfa parçacıklarının çok küçük bir kısmı yüksek sapmaya uğramıştı. Rutherford, bu deney sonucunda pozitif yükün atomun içerisinde tek bir yerde konsantre olarak bulunması gerektiği sonucuna vardı, böylelikle görece yeterli ve yoğun elektrik alan oluşabilecek ve alfa parçacıklarını güçlü bir şekilde saptırabilecekti. 

Bunun sonucunda, Rutherford elektron bulutlarının küçük pozitif bir çekirdek etrafında bulunduğu gezegen modelini öne sürdü. Ancak böyle küçük bir alandaki yük yoğunluğu yüksek sapmaya sebep olabilecek bir elektrik alanı oluşturabilirdi.

Atomun gezegen modelinde iki önemli eksiklik vardı. İlki; güneşin etrafındaki gezegenlerin aksine, elektronlar yüklü parçacıklardı. İvmeli bir hareket yapan elektrik yükünün  klasik elektromanyetizma içerisinde Larmor formülüne göre elektromanyetik dalga yaydığı biliniyordu. Yörüngesel bir hareket yapan yük, sürekli olarak enerji kaybetmeli ve spiral hareketi yaparak çekirdek üzerine saliseler içerisinde çökmeliydi. İkinci önemli eksiklik ise gezegen modeli; gözlemlenen atomun emisyon ve soğurma  tayfında (spektrum) bulunan grafiksel anlık yüksek çizgileri (pik) açıklayamamaktaydı. 

20. yüzyılın başlarında Kuantum teorisi; Max Planck ve Albert Einstein ışığın enerjisinin quanta(tekil, kuantum) adı verilen, sadece belirli miktarlarda yayılıp, soğurulabildiğini bilimsel olarak ortaya koymasıyla, fizik dünyasında devrime yol açmıştır. 1913 yılında ise, Niels Bohr bu fikir ile klasik fiziği kullanarak atom için Bohr modelini oluşturmuştur. Bohr modelinde, bir elektron çekirdeği sadece açısal momentum ve enerjisi sabit belirli yörüngeler etrafında bulunabilir, çekirdeğe olan uzaklığı (yani yarıçapı) ile enerjisi arasında oran vardır. Bu modele göre, elektron çekirdeğe doğru spiral yapamaz çünkü enerjisini sürekli bir şekilde kaybedemez. Onun yerine sadece enerji seviyeleri" yapabilir. Bu olduğunda ise, enerji değişimiyle orantılı olarak belirli bir frekansta foton soğurur ya da yayımlar (dolayısıyla soğurma ve emisyon spektrumunda keskin çizgiler gözlemlenir).

Bohr modeli mükemmel değildi. Sadece hidrojenin  spektral çizgilerini tahmin edebilmiştir. Birden fazla elektronu olan atomları tahmin edememiştir. Dahası, spektrografik teknolojinin gelişmesi ile birlikte, Bohr modelinin açıklayamayacağı hidrojenin ekstra tayf çizgileri bulunmuştur. 1916'da, Arnold Sommerfeld bu ekstra tayf çizgilerini açıklayabilmek için Bohr modeline eliptik yörüngeler eklemiş, fakat bu da modeli kullanılması çok zor bir hale sokmuştur ve yine de daha karmaşık atomları açıklayamamıştır. 

Radyoaktivite ile oluşan ürünler üzerine deneyler gerçekleştirirken, 1913 yılında radyokimyacı Frederick Soddy, periyodik tablodaki yerlerde birden fazla elementin olabildiğini farketmiştir. İzotop kelimesi literatüre Margaret Todd tarafından uygun bir isim olarak kazandırılmıştır. 

Aynı yıl, J.J. Thomson'ın neon iyonlarını elektrik ve manyetik alanlardan geçirerek diğer uçta fotografik levhalara düşürdüğü bir deney yapmaktaydı. Thomson, levha üzerinde iki parlayan nokta gördü, bunun anlamı iki ayrı sapmaya uğranmasıydı. Thomson daha sonra bunun bazı neon atomlarının farklı kütleye sahip olmasından dolayı olduğu sonucuna vardı. Bu farklı kütlelerin kaynağı daha sonra 1932 yılında neutronların keşfiyle açıklanabilecekti. 

1917 yılında, Rutherford azot gazını alfa parçacıklarıyla bombarde etti ve gazın içerisinden hidrojenin yayıldığını gözlemledi (Rutherford hemen fark etti, çünkü daha önce hidrojeni alfa parçacıklarıyla bombarde etmiş ve hidrojen çekirdeğinin son oluşan ürünler arasında olduğunu gözlemlemişti,) Rutherford bu hidrojen çekirdeklerinin bizzat azot çekirdeklerinden ayrıldığı sonucuna vardı. (aslında, Rutherford azotu bölmüştü).

Hem kendi çalışmaları hem de öğrencileri Bohr ve Henry Moseley'in çalışmaları sonucunda, Rutherford herhangi bir atomun çekirdeğinin her zaman belirli tam sayıda hidrojen çekirdeğine eşit olabileceğini biliyordu. Bu ve herhangi bir atomun kütlesinin belirli sayıda hidrojen atomun kütlesine kabaca eşit  olmasıyla - o zamanlar parçacıkların en hafifi olarak biliniyordu - şu sonuca vardı; hidrojen atomunun çekirdekleri tekil parçacıklardı ve tüm atom çekirdeklerinin temel bir bileşeni idi.  Bu parçacıklara proton adını verdi. Daha sonra yapılan deneylerde, Rutherford çoğu atomun çekirdek ağırlığının sahip olduğu proton ağırlığından çok fazla olduğunu görmüştür. Bu ağırlığın daha önce bilinmeyen yüksüz bir parçacıklardan dolayı olduğunu iddia etmiş ve geçici olarak "neutron" kelimesini kullanmıştır.

1928 yılında, Walter Bothe alfa parçacıklarıyla bombalanan berilyumun; yüksek derecede penetrasyonu olan ve elektriksel olarak yüksüz bir ışıma yaydığını gözlemlemiştir. Daha sonraları bu ışımanın parafinden hidrojenleri sökebileceği keşfedilmiştir. Gama ışımasının metallerdeki elektronlara benzer etkiyi yaptığı göz önüne alındığında, ilk başlarda yüksek enerjili gama ışıması olduğu düşünülmüştür. Fakat daha sonra James Chadwick enerji ve momentum korunumuna bağlı kalarak elektromanyetik radyasyon sebebiyle oluşabilmesi için iyonizasyon etkisinin çok güçlü olduğunu görmüştür. 1932 yılında Chadwick bu gizemli berilyum ışımasına hidrojen ve azot gibi çeşitli elementleri maruz bırakmış, ve geri seken yüklü parçacıkların enerjilerini ölçmüştür. Bu radyasyonun aslında elektriksel olarak yüksüz parçacıklardan oluştuğu ve gama ışını gibi kütlesiz olamayacağı sonucuna varmıştır. Onun yerine protona yakın bir kütlesinin olması gerektiğini belirtmiştir. Chadwick bu parçacıkların Rutherford'ın bahsettiği nötronlar olduğunu öne sürmüştür. Nötronu keşfinden dolayı Chadwick 1935 yılında nobel ödülü almıştır.

In 1924, Louis de Broglie proposed that all moving particles—particularly subatomic particles such as electrons—exhibit a degree of wave-like behavior. Erwin Schrödinger, fascinated by this idea, explored whether or not the movement of an electron in an atom could be better explained as a wave rather than as a particle. Schrödinger's equation, published in 1926, describes an electron as a wavefunction instead of as a point particle. This approach elegantly predicted many of the spectral phenomena that Bohr's model failed to explain. Although this concept was mathematically convenient, it was difficult to visualize, and faced opposition. One of its critics, Max Born, proposed instead that Schrödinger's wavefunction described not the electron but rather all its possible states, and thus could be used to calculate the probability of finding an electron at any given location around the nucleus. This reconciled the two opposing theories of particle versus wave electrons and the idea of wave–particle duality was introduced. This theory stated that the electron may exhibit the properties of both a wave and a particle. For example, it can be refracted like a wave, and has mass like a particle.

Elektronları dalga fonksiyonları ile açıklayabilmenin bir sonucu olarak; bir elektronun konumunu ve momentumunu eşzamanlı elde edebilmek matematiksel olarak imkansızdır. Bu durum, bunu ilk kez 1927 yılında tanımlayıp, yayımlayan ünlü teorik fizikçi Werner Heisenberg'e ithafen Heisenberg belirsizlik ilkesi olarak adlandırılır. Bu, düzgün ve keskin dairesel yörüngelerle tanımlanmış Bohr'un modelini geçersiz kılmıştır. Atomun modern modelinde ise ele