Бенджамином Франклином в 1749 году было выдвинуто предположение о материальности электричества. Франклин утверждал, что электрическая материя состоит из флюидов. Он первым в своих трудах использовал термины: «положительный» и «отрицательный» заряд, «частицы электричества». 

Иоганн Риттер в 1801 году выдвинул теорию о делении электрического заряда на частицы. Эта теория была развита в трудах Вильгельма Вебера (использовал термин «атом электричества»), Майкла Фарадея (использовал термин «ион» для носителей электричества в электролите). 

Джордж Стоней в 1891 году использовал термин «электрон» для одновалентного иона, заряд которого сам рассчитал десятью годами ранее. 

К сегодняшнему понятию «электрон» ученые приблизились с открытием 1859 году Юлиусом Плюккером катодных лучей (поток электронов, излучаемых катодом газоразрядной трубки). Жан Перрен придерживался идеи корпускулярности катодных лучей. В 1895 году им было доказано, что катодные лучи есть поток отрицательно заряженных частиц. 

Английским ученым Джозефом Джоном Томсоном в 1895 году начинается изучение отклонения катодных лучей в магнитных и электрических полях. В 1897 году публикуются первые результаты опытов Томсона. По результатам своей работы ученый сделал вывод, что катодные лучи представляют собой частицы атомов вещества, имеющие массу в тысячу раз меньшую массы атома водорода. Причем частицы переносят электрический заряд, соизмеримый с зарядами ионов Фарадея. 

За свои исследования Томсон в 1906 году был удостоен Нобелевской премии по физике. Несмотря на параллельные изыскания, проводимые учеными из разных стран в той же области, за свой огромный вклад в исследование электрона именно Томсону приписывают открытие электрона. 

Открытие протона связано с исследованиями строения атома Эрнеста Резерфорда, работавшего некоторое время под началом Томсона в Кавендишской лаборатории Кембриджа. 

В 1909 году Резерфорд начал исследования строения атома. Инструментом исследования были выбраны альфа-частицы, открытые им в 1899 году при изучении радиоактивности. Суть эксперимента заключалась в прохождении частиц через атом вещества. Согласно теории Томсона, атом представлял собой «пирог с изюмом», где роль изюма исполняли электроны, погруженные в положительно заряженное «тесто». По отклонению положительно заряженных альфа-частиц, прошедших через тонкий слой вещества, Резерфорд пытался определить плотность и расположение электронов в атоме, что дало бы представление о строении самого атома. 

Результаты опытов были неожиданными. Они показали почти беспрепятственное прохождение альфа-частиц сквозь фольгу. Только незначительное количество частиц отклонялось от траектории. Редко наблюдались случаи полного отражения частиц. Из чего Резерфорд сделал вывод о наличии значительного свободного пространства в веществе. Далее он предположил существование плотных положительно заряженных ядер, способных отклонить или отразить альфа-частицу. 

В 1911 году Резерфорд предложил модель атома, отличную от модели атома Томсона. По теории Резерфорда, положительно заряженные частицы представляют собой центр атома, а отрицательно заряженные находятся на значительном удалении. Причем большая часть массы атома сосредоточена в его центре. За сходство модели с Солнечной системой модель была названа «планетарной». 

В 1919 году Резерфорд провел эксперимент по бомбардировке альфа-частицами атомов азота. В камеру с сильно разряженным воздухом помещался источник альфа-излучения. Камера закрывалась фольгой, задерживающей альфа-частицы. За фольгой располагался экран, покрытый сернистым цинком. Регистрация попадания тяжелых заряженных частиц, прошедших сквозь фольгу на экран, регистрировалась наблюдением через микроскоп вспышек в местах падения этих частиц на экран. При заполнении камеры азотом, в микроскоп можно было увидеть появление вспышек на экране. Изменением расстояния от фольги до экрана удалось установить приблизительную длину свободного пробега частиц. Дальнейшее исследование этих частиц показало наличие положительного заряда. Масса частиц оказалась равна массе ядра атома водорода. 

Резерфорд зафиксировал появление таких же частиц при экспериментах с другими газами. Он предложил назвать обнаруженные частицы «протонами». По теории Резерфорда, протоны должны были входить в состав ядра атома. 
В 1920 году Резерфордом была озвучена гипотеза, согласно которой ядро должно содержать нейтральные протон-электронные пары, получившие название нейтроны. Гипотеза не выдерживала критики. Даже математические расчеты противоречили существованию подобных протон-электронных пар. Резерфорд, обладая природным научным чутьем и настойчивостью, не стал полностью отказываться от своих предположений и предложил осуществить исследования в этой области нескольким своим ученикам во главе с Джеймсом Чедвиком. 

Более десятка лет ученые пытались доказать существование нейтральных частиц. В 1932 году при бомбардировке атомов бериллия альфа-частицами Чедвику удалось обнаружить поток нейтральных частиц. Частицы оставляли следы в камере Вильсона, однако не фиксировались счетчиком Гейгера. Они не имели заряда. Продолжая исследования, Чедвик экспериментально доказал, что масса обнаруженной частицы равна массе протона. Существование нейтрона, частично подтверждавшее гипотезу Резерфорда, было доказано.