Раздел физики, изучающий строение и состояние атомов, называют атомной физикой. Реальные сомнения в том, что атом является неделимой материальной частицей, появились в конце 19-го века, когда английский физик Дж. Томсон открыл электрон, входящий в состав электронейтрального атома. Из экспериментов следовало, что масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы самого лёгкого атома, а значит, основная часть массы атома заряжена положительно. В 1903 г. Томсон предложил модель строения атома, согласно которой атом имеет форму шара диаметром около 10-10 м (расстояние между узлами кристаллической решётки твёрдых тел), внутри которого равномерно распределён положительный заряд, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри этого шара, как изюминки в кексе (рис. 33а).

В 1909–1911 годах английский физик Э. Резерфорд и его сотрудники Х. Гейгер и Э. Марсден исследовали структуру атома с помощью быстрых положительно заряженных частиц. В качестве таких частиц были использованы так называемые a-частицы, возникающие при распаде радия и некоторых других радиоактивных элементов. Заряд a-частиц равен двум элементарным, а масса - примерно 4 а. е. м. Установка, использованная Резерфордом в этих опытах (рис. 33б), состояла из свинцового контейнера 1, содержащего крупицу радия, из которого вдоль узкого канала вылетал пучок a-частиц 2, падающий на лист тонкой металлической фольги 3. За фольгой был помещен полупрозрачный цилиндрический экран 4, покрытый кристаллами сульфида цинка, свечение которых под ударами a-частиц наблюдали с помощью микроскопа 5.