19世纪下半叶，人们在研究稀薄气体放电现象时发现，当放电管内气体足够稀薄时，阴极就放射出一种射线，这种射线被称为阴极射线。
1897年，英国物理学家汤姆孙发现，阴极射线在电场或磁场作用下可发生偏转，偏转方向与带负电的粒子相同，这表明阴极射线是一种带负电的粒子流。后来人们把这种粒子称为电子。
由于电子可以从不同的阴极材料的原子里放射出来，而且是比最轻的氢原子还要轻得多的粒子，这表明原子并不是物质的不可再分的最小单元。电子的发现揭开了原子世界神秘面纱的一角，汤姆孙因此获得1906年诺贝尔物理学奖。
为了探测原子结构，人们发展了一种实验方法，用一些已知的粒子，如电子、α粒子等轰击很薄的金属箔，它们与金属原子会产生相互作用而发生偏转。通过观察这些粒子穿过箔片时的偏转情况，可以获得原子内部的信息。这种实验叫散射实验。
英国物理学家卢瑟福采用散射实验发现了原子核。1919年，卢瑟福发现了质子。
1932年，他的学生查德威克发现了中子，并最终确定原子核就是由质子和中子组成的。
人们乐观地认为电子、质子和中子就是构成物质世界的基本单元，称它们为基本粒子。
后来，人们陆续发现了更多的微观粒子，有介子、超子。
从1949年开始，费米和杨振宁以及坂田昌一等人先后提出过一些关于这些粒子内部结构的模型。
1964年，美国物理学家盖尔曼提出质子、中子、介子、超子等都由三种基础粒子组成，它们分别称为上夸克、下夸克和奇异夸克。科学界把这一模型成为夸克模型。盖尔曼获得1969年诺贝尔物理学奖。
