质子和中子组成的原子核根据查德威克的发现，伊凡宁柯和海森堡为原子核提出了一个新的“质子——中子”模型：原子核是由质子和中子组成的。如果一个原子核包含X个质子和Y个中子，那么它的原子序数就等于X，而它的质量数（即核的原子量）就等于X Y。
例如氢原子核里有一个质子，它的原子序数是1，原子量也是1，可写成：H。氦原子核里有2个质子和2个中子，它的原子序数是2，原子量则是4，可写成H：He。当时周期表中的最后一个元素是铀。它的原子核里有92个质子和146个中子。它的原子序数是92，而原子量则为238，故可写成搿u。按照质子——中子模型，任何元素的原子量都应接近一个整数。相对于原子，核外电子的质量很小，可忽略不计。
然而，化学家们早已从实验中了解到，绝大多数元素的原子量都是带有小数值的。例如已经测定氯的原子量为35.5，这个“0.5”是怎么回事呢？
要知道原子核里是不会有半个质子或半个中子的。
氢的同位素事情原来是这样的。天然氯中含有两种氯元素：一种氯元素原子量是35，核内有17个质子和18个中子；另一种氯元素原子量是37，核内有17个质子和20个中子。这两种氯元素具有相同的质子量，其外层具有相同数量的电子，因此在化学性质上几乎没有任何区别。由于原子序数相同，它们在门捷列夫周期表内被安排在同一个小格内。这些原子量不同，在周期表内占有同一位置的核素，人们称它们为同位素。
同位素在元素中所占的百分数称为该同位素的丰度。天然元素中各同位素的丰度是相当稳定的。天然氯元素中，35C1的丰度为75％，37C1的丰度为25％。它总是以这个比例参加各种化学反应。因此，它的化学原子量就等于35.5。
利用质子——中子模型还可以很方便地解释各种核素的放射性衰变现象。例如铀-238衰变时会放出一个Q粒子（即氦核），这就相当于失去两个质子和两个中子。于是它的原子序数要减2，它的质子数要减4。铀-238就变成了钍-234。
泡利除此以外，我们还知道，有相当多的放射性核素是进行Ⅱ衰变的。放出一个Ⅱ粒子就相当于放出一个电子。然而物理学家泡利证明过，电子在核内是不可能单独存在的。那么这究竟是怎么一回事呢？这里我们可以把中子看成是质子和电子的复合体。当放射性核进行Ⅱ衰变时，核内有一个中子分解，放出一个电子而留下一个解脱了的质子。例如钍-234原子核里有90个质子和144个中子。放出Ⅱ粒子后，中子减少一个，质子增加一个，于是钍-234就变成了钋-234，后者含有91个质子和143个中子。
核素的放射性衰变是自发进的。它需要多长时间进行衰变，衰变成什么元素，都是不受人的意志控制的。使物质中的放射性核素衰变掉一半所需的时间称为“半衰期”。各种核素都有各自固定的半衰期，从若干分之一秒到成千上万年，不受外界一般条件的影响。稳定核素的半衰期就是无穷大。科学家们认识到，要改变这种局面，必须依靠“核”反应。这种反应发生在原子核内，而不是像化学反应那样，只是发生在原子核外的电子壳层之间。当用各种粒子与原子核进行碰撞时，粒子有时会被核吸收，有时会从核内击出另一些粒子来，通过这种核反应可以人工地制造出新核素。这种核反应也可用质子——中子模型来解释。
第一个人为地使原子核发生变化的先驱者，是英国物理学家卢瑟福。他在1919年用Ⅱ粒子去轰击氮-14，结果氮-14放出一个质子而变成了氧-17，首次实现了中世纪炼金术士的梦想：在人的意志下，使一种元素变成另一种元素。物理学家利用各种粒子对不同的元素进行轰击，诱发核反应，结果生产出了1000多种在自然界里并不存在的原子核。
现在看来，要用其他物质炼出黄金并不是不可能实现的愿望。关键是要“凑”到适当的质子数和中子数。当原子核中的质子数为79时，我们就可得到黄金的各种同位素。它们中有的是带放射性的。只有当核内的中子数为118时，才能得到稳定的、与天然开采的黄金完全一样的金原子。
炼金术士的愿望是将其他物质转变为黄金，而物理学家感兴趣的，是原子核内蕴藏着的巨大能量。
卢瑟福用各种粒子“大炮”对原子轰击了14年，试图揭开了原子核内部能量之谜。当没有取得什么进展时，他曾惋惜地宣称，人类可能永远无法使原子能在经济上获得巨大效益。然而，他的结论下得早了一点。中子的发现使事情出现了转机。