20世纪30年代初，构成原子以及在原子层次上活跃的那些微小粒子的只有电子、质子、中子和光子几个，人们称它们为基本粒子。但是没过多久，先是在宇宙线中，后是在高能加速器中，一大批基本粒子被发现了。到目前为止，比较稳定、寿命长的基本粒子有30多个，而那些不太稳定、寿命较短的基本粒子则有400多个。
最先发现的是正电子。早在1928年，狄拉克在建立相对论性电子运动方程时，就从理论上预见了正电子的存在。所谓正电子就是除了带正电外，其余性质与电子完全一样。1932年，美国物理学家安德森在宇宙线的研究中证实了正电子的存在。不久又发现，正负电子相遇即迅速湮灭，而转化为两个光子。
正电子的发现提示人们思考，是否所有的粒子均有其反粒子。高能加速器的问世揭示了微观领域一大批新现象，其中包括许多粒子的反粒子。迄今为止，几乎所有粒子的反粒子都被找到。
第二项重要的发现是中微子。1922年，在研究原子核的β衰变时发现有能量莫名其妙地消失了。为此，玻尔曾一度猜想能量守恒定律是否在微观领域不再适用。但大多数物理学家不同意玻尔的意见。1931年，玻尔的学生、奥地利物理学家泡利提出了中微子假说，认为在衰变中放出了一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的粒子，所以出现了能量亏损。由于这种新粒子质量为零，又不带电，所以很难被观测到。泡利的中微子假说因而被认为只是为了挽救能量守恒定律而提出的一种特设性假说。但到了20世纪50年代，高能实验室发展起来了，中微子终于被观测到了，泡利的假说最终得到了证实。
20世纪60年代以后，大型和超大型的高能加速器相继建立起来，人们有可能观测那些寿命较短的粒子（所谓的共振态粒子），这样，一大批基本粒子被发现。今天，随着高能加速器的改进和发展，几乎每年都有新的基本粒子被发现。
这么多基本粒子的出现使物质的微观结构和规律又变得复杂了。首先必须有一套办法将它们区别开来，为此引入了量子数的概念来标记每种基本粒子的特性。在标记这些基本粒子的时候，人们常常想起门捷列夫给化学元素列表，结果发现了周期律，从而为认识深一层次的规律奠定了基础。但给基本粒子排序很不容易。为了排出某种序列来，不得不增加它们的量子数种类，可是量子数种类太多了，那些不断涌现的新粒子又不能纳入已经排定的序列中来。
20世纪50年代，美国物理学家在用高能电子轰击质子时，发现质子的电荷分布并不均匀。这意味着质子也有内部结构，但究竟有什么样的内部结构呢？早在1949年，费米和杨振宁就提出了基本粒子的复合结构模型，指出π介子由质子和中子复合而成。当然，这个模型过于简单，与不少新出现的现象矛盾，但“复合”的概念被认为是有意义的。1956年，日本物理学家坂田昌一改进了费米-杨模型，与实验取得了更大的一致。但人们也同时发现，由该模型复合出来的基本粒子与作为复合基础的粒子在性质上非常相似，很难说哪个更为基本。看起来，复合必须在更深层次上进行。
1961年，美国物理学家盖尔曼等人排出了一张基本粒子的“周期表”。这张表揭示了基本粒子在许多性质上存在着的对称性，所以是一张对称图。有意义的是，依据对称图对有关空位做出的预言，于1964年被实验证明是成立的。1964年，盖尔曼正式提出了基本粒子结构的“夸克模型”。
在这一模型中，三种不同类型（被称为具有三种“气味”）的夸克（上夸克、下夸克和旁夸克）及其反夸克，代替了坂田模型中的基础粒子。经巧妙组合，所有的强子（静质量比较大的基本粒子）均可以由这三个夸克组成，在相互作用中强子的生成、湮灭和转化均可以归结为夸克的重新组合。该模型还指出了某些不允许出现的组合，而且这些被禁止的组合果然没有在实验中发现。夸克模型出现后，很快吸引了理论物理学家的注意力，被认为是统一基本粒子的一个卓有成效的方向。
新的实验事实层出不穷，夸克模型也就一直处在修改完善之中。模型刚提出不久，夸克就被认为性征过于单一，于是又增加了一维参数，称为“颜色”。这个色性征让每个夸克都具有红、蓝、绿三种基色。当然，这里的“色”均是一种借喻，并非它真有什么我们人类能看得见的颜色。正像电子拥有“电荷”而出现了“电”动力学以及量子“电”动力学一样，关于夸克的“色荷”也出现了一门量子“色”动力学。
1970年，美国物理学家格拉肖发现必须再加一种夸克才能解释新的实验现象，于是在上、下、旁之外又出现了一种“粲夸克”。1977年，新的事实迫使人们提出第五种夸克“底夸克”（因“底”与“美丽”的英文第一个字母均为b，故又称“美丽”夸克），1994年又发现第六种夸克“顶夸克”（因“顶”与“真理”的英文第一个字母均为t，故又称“真理”夸克）。究竟还会有多少夸克出现，现在还不清楚。
众多夸克的出现，使人们觉得在这一物质层次上，物理性质似乎也不是单纯的，似乎还存在着另一更深层次的规律在起作用。但是，这只是事情的一个方面。事情的另一方面是，尽管人们提出了这么多的夸克，但这些夸克究竟是些什么东西并没有搞清楚。盖尔曼起初并没有把夸克当成物质实体，只不过是些数学模型而已，但由于夸克模型在解释实验事实上越来越成功，人们开始越来越相信夸克确实就是存在于更深层次的物质实体。但可惜的是，高能实验中从未发现有单个的自由夸克。也就是说，虽然人们提出了这么多的夸克，但实验中从未发现过一个。
如果夸克确实是更深层次的粒子，为什么实验总是发现不了呢？为此有人提出了夸克禁闭假说。意思是说，之所以看不到单独的夸克，也许是因为自然界中根本就不可能有自由夸克。所有的夸克都有色，但由它们复合的强子却是无色的。从实验中只可能看到不带色的粒子，因此所有的夸克均因其“色”而被禁闭在强子之中。也有人认为，之所以没有发现自由夸克，是由于现今的高能粒子能量还不高，不足以从强子中打出自由夸克来，只有继续发展高能加速器，大大提高能量，才有可能找到自由夸克。今天多数物理学家倾向于认为，由于夸克间的相互结合力随距离的增大而急剧增大并趋向无穷，夸克可能永远被禁闭。
夸克禁闭理论是对物质无限可分理论的一个挑战，也是对单向线性思维的一个挑战。有一种单向线性思维方式认为，自然科学不断取得进步的标志就是宏观视野越来越大，看到的东西越来越多，空间尺度越来越大，永无止境；微观视野越来越小，看到的东西越来越多，空间尺度越来越小，也是永无止境。这种思维方式有它的历史根据，即在某一特定的历史时期，科学的进步的确是以这种线性增长的方式进行。但是，他们把在有限情境中总结出来的科学发展模式推广到了科学发展的全过程，完全忽视了理论范式的变化，忽视了科学思想中质的变化。夸克禁闭宣告了经典原子论模型的终结。
高能粒子物理学已经表明，物理学家不再能找到质量和尺寸更小的粒子来充当更深层次的基础。海森堡对此有一个很简明通俗的解释：“为什么物理学家主张他们的基本粒子不能分成更小的部分？论证过程如下：人们怎样才能分裂一个基本粒子？当然只有利用极强的力和非常锐利的工具。唯一适用的工具是其他基本粒子。可见，两个非常高能的基本粒子间的碰撞是能够实际分裂粒子的唯一过程。实际上，它们在这样的过程中能够被分裂，有时分成许多碎片；但碎片仍然是基本粒子，而不是它们的任何更小的部分，这些碎片的质量是由两个相碰粒子的非常巨大的动能产生的。换句话说，能量转换成为物质，使得基本粒子的碎片仍然能够是同样的基本粒子。”
“分割”需要能量，分割越小的粒子，所需要的能量也越高。这都是从前人们未加考虑的新现象。如果我们能确定分割越来越小的粒子所需要的能量至少呈线性增长，那么，无限地分割一个粒子至少在物理上是行不通的。况且，以上的考虑还没有顾及能量与质量之间的转化问题。如果考虑到能量与质量之间的转化，我们首先就会发现，找到越来越小的质量的粒子是不可能的。此外，在夸克禁闭模型中，所有的有色粒子都是禁闭的。“要把夸克从核子中拉出来就必须消耗无穷多的能量，但这是不可能的。”这就是说，为了打出夸克就需要无限大的能量。夸克已经成了分割的极限。
