vignette| James Chadwick à la Conférence Solvay de 1933. Chadwick avait découvert le neutron l'année précédente alors qu'il travaillait au laboratoire Cavendish. La découverte du neutron et de ses propriétés a été au cœur des développements spectaculaires de la physique atomique dans la première moitié du . Au début du siècle, Ernest Rutherford avait développé un modèle rudimentaire de l'atome, à la suite des résultats de l'expérience de la feuille d'or qu'avaient menée ses deux assistants Hans Geiger et Ernest Marsden. Dans ce modèle, les atomes avaient une masse et une charge électrique positive concentrées dans un tout petit espace, le noyau atomique. En 1920, des isotopes d'éléments chimiques avaient déjà été découverts. Il avait aussi déjà été déterminé que les masses atomiques étaient (approximativement) des multiples entiers de la masse de l'atome d'hydrogène, et que le numéro atomique était la charge portée par le noyauByrne, J. Neutrons, Nuclei, and Matter, Dover Publications, Mineola, New York, 2011, . Tout au long des années 1920, le noyau était resté considéré comme composé d'une combinaison de protons et d'électrons, les deux seules particules élémentaires connues à l'époque, mais ce modèle présentait plusieurs contradictions expérimentales et théoriques.
La nature essentielle du noyau atomique a été finalement établie avec la découverte du neutron par James Chadwick en 1932 et par la détermination qu'il s'agissait d'une nouvelle particule élémentaire, distincte du proton.
Le neutron a immédiatement été exploité comme un nouveau moyen pour sonder la structure nucléaire, conduisant à des découvertes telles que la création de nouveaux éléments radioactifs par irradiation de neutrons (1934), ainsi que la fission des atomes d'uranium par les neutrons (1938). La découverte de la fission a conduit au développement de l'énergie nucléaire et des armes nucléaires à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Le proton et le neutron ont été considérés comme des particules élémentaires jusqu'aux années 1960, lorsqu'il a été déterminé qu'ils étaient en fait des particules composites construites à partir des quarks.
Découverte de la radioactivité Au début du siècle, le débat vigoureux sur l'existence des atomes n'était toujours pas résolu. Des philosophes comme Ernst Mach et Wilhelm Ostwald niaient la réalité des atomes, les considérant comme une construction mathématique pratique, alors que d'autres scientifiques, comme Arnold Sommerfeld et Ludwig Boltzmann, voyaient que les théories physiques avaient besoin de l'existence des atomes.
La radioactivité avait été découverte en 1896 par le scientifique français Henri Becquerel, alors qu'il travaillait avec des matériaux phosphorescents. En 1898, Ernest Rutherford du laboratoire Cavendish distinguait deux types de radioactivité, les rayons alpha et les rayons bêta, qui différaient par leur capacité à pénétrer à travers les objets ou les gaz ordinaires. Deux ans plus tard, Paul Villard découvrait les rayons gamma, qui possédaient un pouvoir de pénétration encore plus grand. Ces rayonnements ont été rapidement identifiés comme étant des particules connues : en 1902, Walter Kaufmann montrait que les rayons bêta étaient des électrons ; en 1907, c'est Rutherford et Thomas Royds qui montraient que les rayons alpha étaient des noyaux d'hélium ; et finalement, Rutherford et Edward Andrade montraient en 1914 que les rayons gamma étaient des rayonnements électromagnétiques, c'est-à-dire une forme de lumière. Ces rayonnements avaient également été identifiés comme émanant des atomes, et fournissaient donc des indices sur les processus se produisant au sein des atomes. Inversement, il avait été reconnu que les rayonnements pouvaient servir d'outils permettant de sonder l'intérieur des atomes au cours d'expériences de diffusion.
Expérience de la feuille d'or et découverte du noyau atomique
vignette|360x360px| Un schéma du noyau atomique indiquant un rayonnement β−, l'émission d'un électron rapide du noyau (l'antineutrino qui l'accompagne est omis). Dans le modèle de Rutherford du noyau, les sphères rouges étaient des protons avec une charge positive, alors que les sphères bleues étaient des protons étroitement liés à un électron, et donc sans charge nette.L'encart montre la désintégration bêta d'un neutron libre tel qu'elle est comprise aujourd'hui : le neutron se désintègre en un proton, alors qu'un électron et un antineutrino sont créés lors du processus. À l'Université de Manchester, entre 1908 et 1913, Rutherford avait orienté ses assistants Hans Geiger et Ernest Marsden vers une série d'expériences dont le but était de déterminer ce qui se passait lorsque des particules alpha diffusaient sur une feuille de métal. Aujourd'hui connues sous le terme d'« expérience de la feuille d'or de Rutherford », ou d'« expérience de Geiger-Marsden », ces mesures avaient permis la découverte extraordinaire suivante : bien que la plupart des particules alpha traversant la feuille d'or ne subissent qu'une déviation faible, quelques-unes sont diffusées sous un angle important. La diffusion indiquait que certaines des particules alpha rebondissaient sur un composant petit mais dense devant se trouver à l'intérieur des atomes. En 1911, sur la base de ces résultats, il était devenu évident pour Rutherford que l'atome devait consister en un petit noyau massif, de charge positive, entouré d'un nuage d'électrons beaucoup plus grand, chargés négativement. La concentration de la masse atomique était nécessaire pour expliquer la déviation des particules alpha que l'on observait. Rutherford développa alors un modèle mathématique qui tenait compte de cette diffusion.
Le modèle de Rutherford était très influent. Il motiva le modèle de Bohr pour des électrons décrivant des orbites autour du noyau en 1913 et il conduisit finalement à la mécanique quantique vers le milieu des années 1920.
Découverte des isotopes Parallèlement aux travaux de Rutherford et de ses assistants, le radiochimiste Frederick Soddy de l'Université de Glasgow étudiait les problèmes liés à la chimie des matériaux radioactifs. Soddy avait travaillé avec Rutherford sur la radioactivité à l'Université McGill. En 1910, environ 40 éléments radioactifs différents, appelés radioéléments, avaient été identifiés entre le plomb et l'uranium, bien que le tableau périodique n'autorise que 11 éléments. En 1913, Soddy et Kazimierz Fajans découvraient indépendamment qu'un élément subissant une désintégration alpha produisait un élément situé deux places vers la gauche dans le tableau périodique, et qu'un élément subissant une désintégration bêta produisait un élément situé une place vers la droite. De plus, les radioéléments qui résidaient aux mêmes endroits dans le tableau périodique étaient chimiquement identiques. Soddy appela ces éléments chimiquement identiques des isotopesD'autres avaient également suggéré la possibilité des isotopes. Par exemple : Strömholm, D. and Svedberg, T. (1909) "Untersuchungen über die Chemie der radioactiven Grundstoffe II." (Investigations sur la chimie des éléments radioactifs, Deuxième partie), Zeitschrift für anorganischen Chemie, 63: 197–206; voir tout particulièrement page 206. Cameron, Alexander Thomas (1910). Radiochemistry. London, England: J. M. Dent & Sons, p. 141. (Cameron avait également anticipé la loi de déplacement.). Pour son étude de la radioactivité et pour sa découverte des isotopes, Soddy reçu le prix Nobel de chimie en 1921. vignette|400x400px| Réplique du troisième spectromètre de masse d'Aston S'appuyant sur les travaux de JJ Thomson sur la déviation des atomes chargés positivement par des champs électriques et magnétiques, Francis Aston avait construit le premier spectromètre de masse au laboratoire Cavendish en 1919. Son but, qu'il atteignit facilement, était de séparer les deux isotopes du néon, 20Ne et 22Ne. Aston avait découvert que les masses de toutes les particules étaient des nombres entiers (c'est la règle du nombre entier), c'est-à-dire que les masses de tous les isotopes étaient des multiples entiers de la masse de l'atome d'hydrogène. Lors de ces mesures, Aston calculait arbitrairement les masses par rapport à celle de l'oxygène 16, qu'il prenait comme ayant une masse de valeur 16 exactement lorsqu'elle était exprimée en unité de masse atomique (uma). (Aujourd'hui, on utilise l'unité de masse atomique unifiée, de symbole « u », pour mesurer les masses atomiques.) Ironiquement, la seule exception à cette règle était pour l'hydrogène qui avait une masse de valeur 1,008. L'excès de masse était faible, mais bien en dehors de l'incertitude expérimentale. Aston et d'autres scientifiques avaient rapidement réalisé que l'écart devait être dû à l'énergie de liaison dans les noyaux, c'est-à-dire que la masse d'un certain nombre de particules liés en un seul noyau devait être inférieure à la somme des masses des particules séparées, ce qui ne marchait pas dans le cas de l'hydrogène, son noyau n'étant composé que d'un seul proton. Les travaux d'Aston lui ont valu le prix Nobel de chimie en 1922 pour la découverte de nombreux isotopes d'éléments non radioactifs, ainsi que pour son énonciation de la règle du nombre entier. Notant la découverte récente d'Aston relative à l'énergie de liaison nucléaire, Arthur Eddington suggéra en 1920 que les étoiles pourraient obtenir leur énergie en fusionnant de l'hydrogène (des protons) en hélium et que les éléments les plus lourds pourraient se former dans les étoiles.
Numéro atomique et loi de Moseley Rutherford et d'autres scientifiques avaient noté la disparité entre la masse d'un atome, lorsqu'elle était exprimée en unités de masse atomique, et la charge approximative du noyau, telle qu'elle était requise pour que le modèle de Rutherford puisse fonctionner. La charge du noyau atomique était généralement d'environ la moitié de sa masse atomique. Antonius van den Broek avait alors émis l'hypothèse audacieuse que la charge du noyau, notée Z, ne serait pas la moitié du poids atomique de l'élément, mais était plutôt égale exactement à sa position ordinale dans le tableau périodique. À cette époque, la position des éléments dans le tableau périodique n'avait pas encore été reconnue comme ayant une quelconque signification physique. Par contre, si les éléments étaient ordonnés selon leur masse atomique croissante, une périodicité des propriétés chimiques apparaissait. Cependant, il existait des exceptions à cette périodicité, comme par exemple pour le cobalt et le nickel qui n'étaient pas dans le bon ordre.
À l'Université de Manchester, en 1913, Henry Moseley avait discuté avec Bohr, lors d'une de ses visites, de son nouveau modèle d'atome. Le modèle tenait compte du spectre électromagnétique d'émission de l'atome d'hydrogène, et les deux confrères se sont demandé si les spectres d'émission des éléments plus lourds, tels que le cobalt ou le nickel, suivaient leur ordre en fonction de leur poids ou en fonction de leur position dans le tableau périodique. En 1913-1914, Moseley avait fait des tests expérimentaux sur la question en utilisant des techniques de diffraction des rayons X. Il avait alors découvert que la raie la plus intense (que l'on appelle la raie K-alpha) des longueurs d'onde courtes du spectre des rayons X d'un élément particulier, était liée à la position de l'élément dans le tableau périodique, c'est-à-dire à son numéro atomique Z. C'est Moseley qui a introduit cette nomenclature. Il avait découvert que les fréquences du rayonnement d'un grand nombre d'éléments étaient liées de manière simple à leur numéro atomique.