Rutherford atomun çekirdeğini belirledikten sonra, sıra onun yerini bulmaya gelmişti. 1930-1932 yıllarında fizikçilerin araç gereçleri, silklotron denen yeni bir makineyle zenginleşti. Bu makine çekirdeği derinlemesine araştırma imkanı sağlıyordu.
Başlangıçta “atomu parçalama”ya girişenler daha basit bir makine kullandılar. Cambridge’de John Cockcroft ve Ernest Waltson lityumu helyuma dönüştürmeyi başardılar ve dönüşüm sırasında, tepkimeden önceki ve sonraki Am kütle farkının, Einstein’in E=Am.c2 bağlantısına göre enerji biçiminde bulunduğunu doğruladılar.
James Chadwick nötronu keşfettikten (1932) sonra atom çekirdeği; hemen hemen eşit kütleli pozitif protonlarla, yüksüz nötronların toplamından ibaret gibi göründü. Ağır atomların, yani izotopların varlığı (J.J Thomson tarafından belirlendikten sora İ. ve F. Joliot-Curie tarafından ayrıntılı olarak incelendi), çekirdekte istikrarsızlık yaratan bir nötron fazlalığı olarak yorumlandı. Ondan sonra, o zamanlar bilinen en ağır çekirdekli atom olan uranyum atomuna nötronlar eklenerek uranyum ötesi elementler elde edilebileceği sanısı doğdu.
Enrico Fermi, Franco Rosetti ve Emilio Segre Romanya’da uranyumu nötronlarla bombardıman ettiler… Tarihteki ilk nükleer parçalanmayı bilmeden gerçekleştirdiler. Nötron hücumuyla istikrarsız hale gelen uranyum çekirdekleri, daha hafif çekirdeklere ayrılıyordu: Otto Hahn ve Lise Meitner dört yıl sonra bunu ispat ettiler. Parçalanmadan doğan nötronların da ayrıca başka parçalanmalara sebep olabileceğini öne sürdüler. Fizikçi Fermi çok ilkel araçlar kullanarak (aygıtlarını bir dostunun villasındaki balık havuzuna daldırıyordu) bu zincirleme tepkimenin nötronlar suyla yavaşlatıldığı takdirde dahi olabileceğini gösterdi.
Yeni parçacıklar
Proton, nötron, elektron… İstikrarlı bir maddeyi oluşturmak için bu üç parçacık yeterli gibi göründü; ama sayıları çok geçmeden hızla arttı. 1932’de Cari Anderson, üç yıl önce Dirac’ın kozmik ışık demetlerini incelerken bildirdiği anti elektronu buldu. Gözüpek havacılar Albert Gockel, Victor Franz Hess’in 1910’da haber verdikleri bu uzaydan gelen ışınlar, atmosferdeki moleküllere çarparak bilinmeyen pek çok parçacık üretmektedir. Japon Yukava, Dirac’ın yaptığı gibi salt kuramsal temellere dayanarak elektrondan 200 kat daha ağır olan Mezon’un varlığını bildirdi (Mezon 1947’de bulundu) ve Pauli ancak 1956’da keşfedilecek olan nötrino’nun varlığını haber verdi.