自从放电管问世以来，伦琴从管中阴极发出的射线中发现了x射线，柏克勒尔又在对x射线的研究中发现了铀的天然放射性，以后居里夫妇又进一步从铀的研究中发现了镭。那么，追根寻源问一声：阴极射线本身又是什么呢？这正是当时英国物理学家汤姆生思索的问题。
汤姆生自幼聪慧，加上有严父督教，14岁便考进了著名的曼彻斯特大学，20岁被保送到剑桥大学，27岁就被选为皇家学会的会员。1884年，他28岁那年竟被卡文迪许实验室的老主任瑞利看中，指定为自己的接班人。
这时，物理学界正发生着一场大争论，争论是由60年代英国物理学家克鲁克斯发明的一种管子——克鲁克斯管引起的。所谓克鲁克斯管，就是在一个玻璃管里嵌进相对的两块金属板，两板各与一条电路相连，一块是阴极，一块是阳极，当管内空气抽得越来越稀薄时，就会出现种种不同的颜色，这种光是由阴极发出的。它到底是什么呢？当时世界上一流的物理学家以德国赫兹、林纳德为首的一派，和以美国克鲁克斯为首的一派提出不同的看法，展开了旷日持久的争论，这场争论竟然持续了20多年而没有结果。就在1896年，汤姆生正好40岁，英国科学促进会召见汤姆生，要他的实验室火解决这桩悬案。
经过仔细研究，汤姆生发现争论的关键在于，当时科学家只推算出电子的存在，而不知道它的重量、性质，所以物理学家们自然不服，于是汤姆生毅然决定要称称电子的重量。
为了实现他异想天开的想法，汤姆生精心设计了一个实验。他准备好了一个阴极射线管，射线从阴极一端发出后，穿过两个很窄的缝，成一细束，打在管子的底部，而底部已准备好精确的刻度，用来观察射线的偏转。在射线经过的路上，上下各准备两块金属电极板，形成一个电场。当金属板不通电时，射线沿直线打在管底一个点上，通电后射线受电场的影响发生偏转，并且根据偏转的方向可知它是带负电的粒子束。这时再加一个磁场，使它沿相反方向偏转，又校正到原来的位置。
在实验中，汤姆生先求出阴极射线微粒的飞行速度，进而求得它的电荷与质量之比，最后去推算质量。结果，他算出粒子的飞行速度是每秒10万公里，它的质量是氢原子的1／1840，也就是9×10-28克；它的电荷是4.8×1010个静电单位。汤姆生还不放心，把这个实验反复做了几次，结果都产生了同样的粒子流。不仅如此，在实验中汤姆生还发现：不仅在阴极射线中，即使在别的条件下，例如将金属加热到一定程度，金属或其他物质受光，特别是受紫外线照射时，也能放射出电子来。汤姆生得出了一个伟大的发现——任何元素中都含有电子。
汤姆生被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。1906年他荣获了诺贝尔物理学奖。
电子的发现，和X光、放射性一起，成为19世纪末物理学的三大发现。
汤姆生发现电子以后，人们开始意识到原子是一个无穷的世界，对于它肯定还有许许多多人类未知的秘密，为了揭示原子之谜，汤姆生建议他的得意门生卢瑟福专门从事原子内部的研究。
遵从师命，卢瑟福从镭放射出的射线入手，看看它到底是些什么东西，然后再顺藤摸瓜去追踪原子内部的秘密。他设计了一个实验，用一个铅块，钻上小孔，孔内放一点镭。这样射线只能从这个小孔里发出，然后将射线放在一个磁场里。这时，一束射线立即分成三股，一股向N极偏转，另一股向S极偏转，还有一股不偏不倚笔直向前。卢瑟福分别取名为α、β和γ射线，并且又一一弄清楚了它们的性质。
β射线和阴极射线一样，是电子流。但由于p射线是从原子内部发出的，速度可达光速的30％至99％，所以它的穿透力很强。
α射线是带正电荷的，速度只有光速的10％，质量却很大，为4个原子质量单位，又重又慢，因而穿透力很小。
叩射线由于不带电荷，所以在磁场中不向两极发生偏转，它是x射线，但波长很短。
这样一来，19世纪末物理学的三大发现都在卢瑟福的一个实验里全部得到了解释。汤姆生看到自己的学生如此有出息，当然高兴非凡，便把他推荐到加拿大吉耳大学当物理学教授。
1898年9月，卢瑟福到加拿大走马上任，他的实验室里有一位名叫索迪的助手。此人虽比卢瑟福年龄还小，但化学知识却极为丰富，这正好弥补了卢瑟福的不足。于是30岁的教授先生和23岁的助手学生密切合作。他们从研究物质的放射性入手，很快从钍中分离出一种神秘物质，这种物质除了原子量与钍不同，其他无一不同，他们给这种物质取名为同位素。同位素的发现，使得对原子内部的研究更细密、精深。
有了索迪，卢瑟福就请他帮助自己来验证一个他从前的发现，那就是。粒子从所具有的电量和质量来看，很像一种已知元素——氨。
他们将少量的镭盐放进一个小玻璃管内，外面再套上一个大玻璃管，两层管壁间密封并抽成真空。几天之后，将内外管之间的气体抽出，一化验，果然是氦！这证明α射线实际上就是氦流，那么镭射线放出α射线后剩下的又是什么物质呢？这样追查下去，原来是氡。于是卢瑟福宣布：“放射性既是原子现象又是产生新物质的化学变化的伴随物。”这种由一种元素变成另一种元素的放射性现象叫做“衰变”或“蜕变”。一种元素的放射性减少到总量一半所费的时间叫“半衰期”。各种元素的半衰期是不同的，铀是45亿年，镭是1560年。原子在衰变过程中不断产生α、β粒子，同时释放以γ射线出现的其他能量，可见小小一个原子拥有多么大的能量啊。卢瑟福的发现真可谓石破天惊，它的意义就如哥伦布发现新大陆一样。
1907年10月，卢瑟福回到英国曼彻斯特大学任教，他的学生们又从世界各地追随而来，他们来自德、英、法、丹麦等国，他的实验室简直就是一个“科学国际”。就在这时，从瑞典寄来了请卢瑟福去领诺贝尔奖的通知书。大家正闹哄哄地议论如何去领奖，卢瑟福却说：“不忙，诺贝尔碎原子日奖放在那里是跑不掉的。我们现在要紧的是要计好了搞清楚，我们所发现的这许多小粒子在原子内为靶子部是如何组合、结构的。”
为了解答这个问题，卢瑟福设计了一个打跑来报告了碎原子的新实验。卢瑟福选择α粒子来充当打碎原子的“炮弹”，而这时他的学生盖革已经帮卢瑟福设计好了一个能计算出镭放射出α粒子的仪器——盖革计数器。现在，他们准备好了放射源，又以金箔为靶子，靶子一边放一个荧光屏，通过显微镜观察穿过金箔的α粒子是否都落在了屏上。
这项工作非常费力而且枯燥，他的学生常常观察一整天也一无所获。终于有一天，盖革慌慌张张跑来报告，说他发现了一个奇怪的现象，就是虽然大部分α粒子都沿直线穿过了金箔，但也有个别的α粒子出现了偏转，有的甚至于反弹回来。为了探出个究竟，卢瑟福一头扎进实验里，竟一连几天没有出来。最后，他算出来大约射出8000个α粒子会有一个发生偏转或者反弹回来。这究竟是什么原因呢？卢瑟福一边继续实验，一边苦苦思索，不停地演算。最后，他悟出一个道理：原来这原子的结构就如宇宙中的太阳系，它的中心有一个体积很小但质量极大的原子核，周围是大大的空间，所以8000个粒子才有一个可能撞上它被反弹回来。
1911年，卢瑟福提出了原子的“太阳系模型”，这是科学史上一项空前伟大的成就。原子和原子核物理学从此发展起来。
1919年4月2日，卢瑟福应老师汤姆生的再三要求，出任卡文迪许实验室主任，他到任后就立刻宣布了一个新课题——研究原子核的构成。他不满足于打碎原子，他要进一步打碎原子核，对它来个刨根问底。
在一间专用的实验室里，卢瑟福和他的“孩子们”做好了一切准备。来自世界各地聚集在卢瑟福门下年轻的科学精英们都尊称卢瑟福为“父亲”，而卢瑟福也高兴地称他们为“孩子们”。
且说卢瑟福小心地把荧光屏调离发射源，相距已经长达40厘米，荧光屏上有一个光点在闪亮。卢瑟福认为这不可能是α粒子，因为。粒子的射程极短，不可能达到玻璃管的另一端。他们一测，果然这是实验用的氮转变成另一种元素——氧17，并放出了一个质子。卢瑟福用人工的方法在世界上第一次分裂了原子。以后，卢瑟福又制成了一架巨型的原子捣碎机，用它来进行分裂各种元素原子的实验。
1933年4月20日，卢瑟福在英国皇家学会上正式解释了原子捣碎机和他做的关于原子嬗变的实验。大厅里鸦雀无声，所有听讲的人都注视着讲台上的这位科学巨人，他们明白：随着这位伟人回荡在大厅的声音，一个新时代——原子时代的脚步声将紧随而来。