Los electrones, protones y neutrones se descubrieron en diferentes momentos, en ese orden.
Thomson observó por primera vez los electrones en el cambio de los siglos. Colocó electrodos en un tubo de vidrio evacuado. Cuando aumentó el voltaje lo suficiente, observó un haz de radiación o partículas. Este haz se desviaría por campos eléctricos y magnéticos, lo que significa un haz de partículas con carga negativa. La única fuente de ellos podrían ser los electrodos, por lo que se estipuló que el campo eléctrico eliminó los electrones de los átomos y los envió volando a través del vacío.
¿Por qué solo se desalojaron los electrones? ¿Por qué no la contraparte cargada positivamente? Después de todo, los átomos eran claramente neutros. Había varios modelos de la estructura del átomo en ese momento. El modelo de pudín de ciruela colocó los electrones como ciruelas en un “pudín” con carga positiva uniforme. También estaba el modelo planetario, que hacía que los electrones orbitaran un núcleo pesado y positivo. Rutherford con sus colegas descubrieron, para su sorpresa, que este último estaba más cerca de la realidad. Los protones eran mil veces más pesados que los electrones y ocupaban un espacio pequeño y denso dentro del átomo, el núcleo. Los electrones comparativamente ligeros se arremolinaban a su alrededor.
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El experimento real consistió en bombardear átomos de oro con partículas alfa. Las partículas alfa son, como ahora sabemos, los núcleos positivos de helio 4. Cuando los alfa pasan a través de la lámina de oro, se dispersan. Si el modelo de pudín de ciruela es correcto, se dispersarían solo ligeramente, ya que la carga se distribuye de manera bastante homogénea dentro del átomo. En cambio, se observó que la mayoría pasaba sin ser afectada a través de la lámina, pero algunos se dispersaban bajo ángulos extremos, rebotando literalmente de ellos densos y pesados núcleos de oro.
Sin embargo, llevó un tiempo demostrar definitivamente la existencia de protones. Nuevamente, al único Rutherford se le atribuye el descubrimiento. Las partículas alfa se dispararon al aire (que es principalmente nitrógeno) y se observó hidrógeno. Esto significa que, de alguna manera, el núcleo de hidrógeno (un solo protón, como sabemos ahora) es el componente básico de los núcleos atómicos. Junto con los resultados experimentales anteriores, esto concluyó la búsqueda de la contrapartida positiva de los electrones.
Todavía quedaba una pieza del enigma sin resolver. Los átomos pesaron mucho más de lo esperado en función de su posición en la tabla periódica (número de protones / electrones). Rutherford planteó la hipótesis de que la masa faltante debería atribuirse a algunas partículas neutras, muy probablemente pares de protones y electrones. La existencia de radiación beta, que involucraba a electrones que irradiaban desde los núcleos, parecía confirmar esta idea. Pero al mismo tiempo, la mecánica cuántica evolucionó rápidamente en la segunda mitad de los años veinte. El principio de incertidumbre de Heisenberg descartó un par protón-electrón fuertemente unido. Además de eso, tanto los protones como los electrones son fermiones: hacen girar la mitad de las partículas. Los neutrones serían, pues, bosones (partículas de espín entero). Pero esto no cuadró con los espines nucleares observados.
Finalmente, fue Chadwick en 1932 quien demostró la existencia de neutrones. Cuando los materiales que contienen hidrógeno, como la parafina, fueron bombardeados por los productos de un determinado tipo de radiación, los protones serían expulsados. La nueva partícula tenía entonces la misma masa que el protón. La radiación era eléctricamente neutra, al igual que el neutrón estipulado. Así se terminó la caza, y se encontraron los tres componentes principales, el protón, el neutrón y el electrón.
