虽然对元素周期性质的认识对化学理论的发展产生了极大的促进作用，但是，到19世纪末，由于物质的放射性的认识和电子的发现，使人们对原子的认识更加深入了，进而对元素以及元素与元素之间的关系也认识得更好了。
英国籍新西兰物理学家卢瑟福（1871～1937）和英国化学家索迪（1877～1956）的研究工作，在推进元素的认识中走在了前列。他们在分析众多的放射性元素时，由于要在元素周期表中“安置”它们，这可不是一件容易的事情。不久，索迪提出了“同位素”的概念，卢瑟福经过分析也弄清楚“原子序数”的本质。
经过卢瑟福的研究工作，所谓“原子序数”就是原子核中的质子数。然而，从卢瑟福的原子的“核式”模型看，将一个原子核的全部质子的质量从原子核的总质量减去，所剩下的质量并非很小的数。为此，卢瑟福猜测，在原子核内一定存在着未知的粒子，它们有可能是不带电的粒子。具体来说，可能会存在两种情况。一种情况是，原子核内会存在一种不带电的粒子；另一种情况是，原子核内有两种粒子，还可能是两种已知的粒子，如质子和电子，它们俩构成一种不带电的“复合”粒子。例如，一种元素的原子量是A，质子数（即原子序数）是Z；则在原子核内还有A-Z个质子，可以设想成，在原子核内还应有A-Z个电子，这A-Z“复合”粒子也可以显示是不带电的。
在卢瑟福提出他的“猜想”之后，他曾经指导学生去寻找原子核内的未知粒子，但未果。
到20世纪30年代，人们知道原子核内的未知粒子是中子。关于中子的发现过程还是比较曲折的。
在20世纪20年代，两位德国的研究人员进行了一个实验。他们从钋放射源中得到α粒子（它相当于一个氦原子核），再用α粒子打到铍靶上；α粒子打中铍靶后，使铍产生了很强的辐射，并且是电中性的。
不久，法国的约里奥-居里夫妇（1900～1958、1897～1956，即老居里夫妇的女儿和女婿）也重复了这个实验。不过，他们略作了改进。他们在铍靶之后又放了一块石蜡板。结果，他们发现，所产生的辐射更强了。约里奥-居里夫妇仔细测量之后，石蜡板后面的粒子是质子流。他们也认为，α粒子打击铍靶，所打出的是辐射（也可以说是γ光子流）。
他们的结果发表出来之后，受到卡文迪什实验室的查德威克（1891～1974）的注意。
查德威克是卢瑟福的学生，他很熟悉老师关于原子核内存在中性粒子的假设。当他看到约里奥-居里夫妇的实验结果时，他感觉有一些问题。他就找到卢瑟福讨论。卢瑟福听过查德威克的分析之后，觉得有道理。查德威克认为，从铍靶打出的粒子不是γ光子流，因为γ光子的静止质量为零，它们没有那么大的动量（mv），不可能再从石蜡板中打出质子。能从石蜡板中打出质子的粒子很可能是卢瑟福曾经预言的（原子核内的）“中性粒子”。
说干就干。查德威克的实验很快就完成了，并且对结果进行了认真的分析。果然，α粒子打击铍靶打出的就是一种中性粒子，而且就是卢瑟福曾经预言的那种粒子。这就是中子。它的质量比质子的质量略大些，当中子打到质子时，由于它们的质量差不多，中子把质子“置换”出去。
这就像小男孩玩“弹（tán）球”的游戏。当拿一个小球去撞击一个大球，小球撞上大球时，大球“岿然不动”，小球却被撞回来了。当拿一个大球去撞击一个小球，大球撞上小球时，大球与撞上的小球都会往前运动，但小球往往会跑得更快，也跑得更远。但是，用一个球撞另一个球，如果它们俩的质量差不多，当撞者撞到另一个球时，被撞者就像撞者一样，“继续”向前行进，而撞者则停止在被撞者的位置上。
由此可见，质子就像静止在石蜡板中的被撞者，当中子撞击它时，中子就取代质子的位置，静止在原来质子的位置上，而质子则被打了出来。所以，查德威克前面的研究人员都错了，他们认为，α粒子打击铍靶，打出的是一种强辐射（即光子流），是弄错了；特别是约里奥-居里夫妇认为，强辐射把石蜡板中的质子打出来，分析是有问题的。
由此可见，人们在实验中自觉或不自觉地受到实验者脑中的理论的“指导”，不管这种理论是否有问题。当中子被发现之后，一些科学家马上就提出新的原子（核）模型，即原子由中心处的原子核与核外的围绕原子核旋转的电子构成；而原子核中有两种粒子：质子（带正电）和中子（不带电）。由于质子数与核外电子数相等，从整体上看，原子是不显电性的。这样的原子模型与我们在化学或物理学的学习中所掌握的知识完全一样。这样的知识产生于20世纪30年代，距今已有80年了。
应该说，约里奥-居里夫妇为中子的发现所做的实验工作是至关重要的。遗憾的是，在为中子发现者颁发诺贝尔奖时，他们的工作却被忽视了。
中子被发现之后，不仅使人们对原子结构有了更加深入的认识，而且中子不带电，它不像质子或α粒子，由于后者带正电，它们在接近原子核时会受到很强的电斥力。中子则不会受到这样的电斥力，人们马上就认识到，用它打击原子核是一种理想的“炮弹”。
很快，意大利著名的物理学家费米（1901～1954）就用中子分析原子核，并且他们发现了大量的、新的同位素。本来在元素周期表中，每个位置中已有几个“同位素”。由于费米的人为“干涉”，他们用中子打击各种元素的原子核，发现了更多的同位素，至今发现的同位素已有上千种。有的一个元素位置中，要有十余个同位素“挤”在一起。
如此多的同位素，这使元素（如波义耳的）定义出现了问题。为此，美国科学家鲍林(1901～1994，曾经获得1954年度的诺贝尔化学奖，还获得了1962年度的诺贝尔和平奖）给出过一个新的元素定义。他认为，“元素是具有相同原子序数的原子的总称（物质的种类）”。同位素是指在元素周期表中处于同一位置的元素，也就是说，原子序数相同、质量数不同的核素。
在同位素中既有元素的术语，又有“核素”的术语。“核素”是什么呢？“核素”是用原子序数和质量数来表示的，它可以表达成原子核的种类，即原子序数相同，但质量数不同。它的表达形式是：氢-1写成H1，氢-2写成H2，铀-235写成U235，铀-238写成U238……这就是说，它们分别是质量为1的氢，质量为2的氢，质量为23.5的铀，质量为238的铀……有时也把原子序数写上，即
元素周期律的建立对于人们进行物质的合成具有指导的意义，像著名的汽油防爆剂四乙基铅（今已停止使用）和制冷剂氟利昂（今也已停止使用）的开发，就是研究人员（他们并非正规的化学家）对照元素周期表“按图索骥”式地做出了发明。并且，元素周期性质的认识，使人们对子元素之间的关系认识得更加清楚。作为化学元素之间的关系，虽然门捷列夫最初是用原子质量的变化来体现元素性质的周期变化。这种变化也体现出一种“对称性”。
