让我们暂停片刻，思考一下我们现在所知的原子结构。每个原子都由三种基本粒子构成：质子，带正电荷；电子，带负电荷；中子，不带电荷。质子和中子挤在原子核里，而电子则在外面旋转。质子的数量决定了一个原子的化学特性。一个质子的原子是氢原子，两个质子的是氦原子，三个质子的是锂原子，依此类推。每增加一个质子，你就得到一种新元素。（因为原子中质子的数量总是被等量的电子所平衡，你有时会看到有人写是电子的数量定义了一个元素；结果是一样的。我被告知的解释是，质子赋予原子身份，电子赋予其个性。）
中子不影响原子的特性，但它们确实增加了原子的质量。中子的数量通常与质子的数量大致相同，但可以略有上下浮动。增加一两个中子，你就得到了一个同位素。你在考古学测年技术中听到的术语指的就是同位素——例如碳-14，它是一个含有六个质子和八个中子的碳原子（十四是两者之和）。
中子和质子占据着原子核。原子的原子核非常微小——只占原子总体积的十亿分之一的百万分之一——但密度却异常之高，因为它几乎包含了原子的全部质量。正如克罗珀所说，如果一个原子被放大到大教堂那么大，原子核大约只有一只苍蝇那么大——但这是一只比大教堂重数千倍的苍蝇。正是这种宽敞——这种响亮、出人意料的宽敞——让卢瑟福在 1910 年挠头不已。
原子大部分是空的空间，我们周围体验到的坚固性是一种幻觉，这仍然是一个相当惊人的概念。当两个物体在现实世界中碰撞时——台球最常被用来举例说明——它们实际上并没有相互撞击。“相反，”蒂莫西·费里斯解释说，“两个球的带负电场相互排斥……如果不是因为它们的电荷，它们可以像星系一样毫发无损地相互穿过。”当你坐在椅子上时，你实际上并没有坐在那里，而是悬浮在它上方一埃（一厘米的亿分之一）的高度，你的电子和它的电子坚决反对任何更亲密的接触。
几乎每个人头脑中关于原子的图像都是一个或两个电子围绕原子核飞行，就像行星围绕太阳运行一样。这个图像是在 1904 年由一位名叫长冈半太郎的日本物理学家基于不过是聪明的猜测创造出来的。它完全是错误的，但同样经久不衰。正如艾萨克·阿西莫夫喜欢指出的那样，它激发了几代科幻作家创作出世界中还有世界的故事，其中原子变成了微小的、有人居住的太阳系，或者我们的太阳系结果只是某个更大体系中的一个微粒。即使现在，欧洲核子研究组织（CERN）也在其网站上使用长冈的图像作为标志。事实上，正如物理学家们很快将意识到的那样，电子根本不像环绕行星，而更像旋转风扇的叶片，设法同时填满它们轨道上的每一寸空间（但关键的区别在于风扇叶片只是看起来同时无处不在；电子是）。
不用说，在 1910 年或此后许多年里，这些知识几乎都未被理解。卢瑟福的发现带来了一些巨大而直接的问题，其中最主要的是，根据电动力学理论，没有任何电子能够围绕原子核运行而不坠毁。传统理论要求一个飞行的电子应该很快耗尽能量——仅仅在一瞬间左右——并螺旋式地坠入原子核，对两者都造成灾难性的后果。还有一个问题是，带正电荷的质子如何在原子核内聚集在一起而不把自己和原子的其余部分炸开。显然，在那个极小的世界里发生的事情，并不受适用于我们期望所在的宏观世界的定律支配。
当物理学家们开始深入研究这个亚原子领域时，他们意识到它不仅与我们所知的任何事物都不同，而且与任何曾经想象过的事物都不同。“因为原子的行为与普通经验如此不同，”理查德·费曼曾观察到，“所以很难适应，它对每个人来说都显得奇特而神秘，无论是新手还是经验丰富的物理学家。”当费曼发表这番评论时，物理学家们已经有半个世纪的时间来适应原子行为的奇特性。所以想想卢瑟福和他的同事们在 1910 年代初，当这一切都是全新的时，必定是什么感觉。
与卢瑟福一起工作的人中有一位名叫尼尔斯·玻尔的温和、和蔼的年轻丹麦人。1913 年，在苦思冥想原子结构时，玻尔产生了一个如此激动人心的想法，以至于他推迟了蜜月，写出了一篇后来成为里程碑的论文。由于物理学家无法看到像原子这样小的东西，他们不得不尝试通过对其施加作用（就像卢瑟福用α粒子轰击金箔那样）来推断其结构。毫不奇怪，有时这些实验的结果令人费解。一个长期存在的谜题与氢波长的光谱读数有关。这些读数产生的模式表明氢原子在某些波长发射能量，但在其他波长则不发射。这有点像一个受监视的人反复出现在特定地点，但从未被观察到在它们之间移动。没有人能理解这为什么会这样。
正是在苦思冥想这个问题时，玻尔突然想到了一个解决方案，并匆匆写下了他那篇著名的论文。这篇题为《论原子和分子的构成》的论文解释了电子如何通过占据某些明确定义的轨道来避免落入原子核。根据这个新理论，一个在轨道间移动的电子会从一个轨道消失并瞬间出现在另一个轨道上，而不经过其间的空间。这个想法——著名的“量子跃迁”——当然是完全奇怪的，但它太好了以至于不可能是假的。它不仅阻止了电子灾难性地螺旋式坠入原子核；它还解释了氢令人费解的波长。电子只出现在某些轨道上，因为它们只存在于某些轨道上。这是一个耀眼的洞见，它为玻尔赢得了 1922 年的诺贝尔物理学奖，比爱因斯坦获奖晚了一年。
与此同时，不知疲倦的卢瑟福，现已回到剑桥，接替 J. J. 汤姆森担任卡文迪什实验室主任，提出了一个模型，解释了为什么原子核不会爆炸。他认为它们必定被某种中性粒子抵消了，他称之为中子。这个想法简单而吸引人，但不容易证明。卢瑟福的助手詹姆斯·查德威克花了十一年紧张的时间寻找中子，最终在 1932 年成功。他也因此在 1935 年获得了诺贝尔物理学奖。正如布尔斯及其同事在他们关于这个主题的历史著作中指出的那样，发现的延迟可能是一件非常好的事情，因为掌握中子对于原子弹的发展至关重要。（因为中子不带电荷，它们不会被原子核心的电场排斥，因此可以像微型鱼雷一样射入原子核，引发称为裂变的破坏性过程。）他们指出，如果中子在 1920 年代被分离出来，“很可能原子弹会首先在欧洲发展，毫无疑问是德国人。”
当时，欧洲人正忙着试图理解电子奇怪的行为。他们面临的主要问题是，电子有时表现得像粒子，有时又像波。这种不可能的二元性几乎让物理学家们发疯。在接下来的十年里，全欧洲的物理学家们疯狂地思考、涂写，并提出相互竞争的假说。在法国，贵族家庭的后裔路易-维克多·德布罗意王子发现，当把电子视为波时，其行为中的某些异常现象就消失了。这一观察引起了奥地利人埃尔温·薛定谔的注意，他进行了一些巧妙的改进，并设计了一个方便的系统，称为波动力学。几乎在同一时间，德国物理学家维尔纳·海森堡提出了一个与之竞争的理论，称为矩阵力学。这个理论在数学上如此复杂，以至于几乎没有人真正理解它，包括海森堡本人（“我甚至不知道矩阵是什么，”海森堡有一次绝望地对一位朋友说），但它似乎确实解决了一些薛定谔的波无法解释的问题。结果是，物理学有了两个基于相互矛盾前提的理论，却产生了相同的结果。这是一个不可能的情况。
最终，在 1926 年，海森堡提出了一个著名的折衷方案，产生了一个后来被称为量子力学的新学科。其核心是海森堡的不确定性原理，该原理指出电子是一种粒子，但这种粒子可以用波来描述。该理论围绕的不确定性在于，我们可以知道电子在空间中移动的路径，或者我们可以知道它在某一特定时刻的位置，但我们无法同时知道两者。[22] 任何测量其中一个的尝试都不可避免地会干扰另一个。这并非仅仅是需要更精密仪器的问题；这是宇宙不可改变的属性。