就在查德威克发现中子的当年，海森堡当即提出，原子核是由质子和中子组成的。从前的质子-电子模型不能解释许多实验现象，而质子-中子模型可以很好地说明原子量与原子序数问题。新模型很快被人们接受，质子和中子统称为核子。
核子是如何组成原子核的呢？这又是一个新的问题。起初人们相信，核内并没有中心，中子和质子以弥漫的云雾状均匀地分布于核内。1936年，玻尔发现原子核的密度几乎都相同，因此提出了液滴模型。他认为每个核粒子就像液滴那样紧密地压在一起，就像水由水滴组成那样。这个模型比较好地解释了核裂变现象。
第二次世界大战后，物理学家在实验室里发现了一个奇妙的现象，即当核内质子和中子数等于某些特定的数值，如2、8、20、50时，原子核表现得特别稳定。为了解释这一现象，美籍德国物理学家迈耶尔和詹森分别提出了原子核的壳层结构模型理论。他们认为，质子和中子以壳层的方式层层相套，当层的数目与上述特定数值相等时，核就表现得特别稳定。可是，该模型不能说明原子核的放射性是如何可能的。为了解释核的放射和吸收现象，又有人提出了半透明模型。
1953年，玻尔的儿子建立了一个综合模型，认为当核子数等于某数值时，核表现为壳层结构，而其他时候则表现为液滴结构。这些层出不穷的结构模型，反映了人们对原子核的结构尚未有足够的认识。
最主要的原因是人们尚不知道核子的相互作用情况。目前我们已经知道宇宙间有两种普遍的相互作用，一是引力，一是电磁力，但这两种力均不足以解释核内质子与中子的结构情况。中子是电中性的，因此，它们之间不可能有电磁相互作用，而引力过于微弱，靠它绝不可能保持原子核的稳定性。在核内部必定存在着一种新的作用力，它具有吸引性，而且与电荷无关。
1935年，日本物理学家汤川秀树提出了“交换粒子”的概念，作为新相互作用理论的基本概念。他认为，电磁相互作用的本性在于电磁场之间相互交换场量子γ粒子，而核力也是通过这种方式进行的，只不过所交换的是一种新的粒子，其质量约为电子的200倍，介于质子与电子之间，因此可以称为介子。不久，美国物理学家安德森真的在宇宙线的研究中发现了一种质量约为电子207倍的粒子，开始人们以为它就是汤川秀树所预言的那种介子，将之命名为μ介子，但后来发现，它并不是传递核力的那种介子。1947年，英国物理学家鲍威尔终于在宇宙线中发现了另一类介子，其质量为电子的273倍，经反复检测，确定是汤川秀树所预言的介子，被命名为π介子。
汤川的理论被确立之后，原子核内相互作用的理论研究开始活跃起来。人们发现，以π介子传递方式产生的相互作用具有这样的特点：强度极大、独立于电荷、作用距离和作用时间均极短。这种相互作用被称为强相互作用。1933年，意大利物理学家费米在研究原子核的β衰变时，发现了另一种不同性质的相互作用，后来被称为弱相互作用。
随着实验的发展，人们认识到弱作用和强作用有很大的不同，其中一个著名的差异是，有些守恒定律在强作用下成立，而在弱作用下并不成立。华裔美国物理学家李政道、杨振宁于1956年提出了弱相互作用下的宇称不守恒定律，被认为大大深化了人类对微观世界的认识。不久之后，另一位华裔美国物理学家吴健雄女士以其出色的实验证实了这一理论。
现在我们知道了宇宙间的四种相互作用力：引力、电磁力、强作用和弱作用。这四种力之间是否存在一种更深层次的统一性呢？爱因斯坦生前致力于统一电磁力与引力，明显由于条件不具备而收效甚微。1961年至1968年，美国物理学家格拉肖、温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆先后提出了弱相互作用与电磁力的统一模型。这个模型很好地解释了已知的许多基本规律，而且给出了后来得到实验验证的预言，被认为是一个成功的统一。格拉肖、温伯格和萨拉姆共同荣获了1979年的诺贝尔物理学奖。
