Eine Sonde löst Strukturen nur auf, wenn ihre Wellenlänge höchstens so groß ist wie die Struktur. Teilchen mit dem Impuls $p$ haben die De-Broglie-Wellenlänge $\lambda = h/p$. Bei Energien weit über der Ruheenergie ist $p \approx E/c$, also $\lambda \approx hc/E$ mit $hc = 1240$ MeV·fm. Hohe Energie heißt feine Auflösung, deshalb baut man Beschleuniger. Die Methoden sind Streuung an einer Probe, Spektroskopie (Energieniveaus aus dem ausgesandten Licht) und Massenspektrometrie.

Rutherford (Geiger und Marsden führten ihn aus) beschoss eine sehr dünne Goldfolie mit $\alpha$-Teilchen von einigen MeV und maß die Ablenkwinkel. Fast alle Teilchen fliegen nahezu geradeaus hindurch, nur etwa eines von 10 000 wird um mehr als $90^\circ$ abgelenkt, einzelne prallen zurück. Elektronen können das nicht bewirken, denn sie sind rund 7300-mal leichter als ein $\alpha$-Teilchen. Auch das Thomson-Modell (positive Ladung gleichmäßig im Atom verteilt) liefert nur kleine Winkel. Große Winkel verlangen ein kleines, schweres, positives Zentrum: den Atomkern. Das Atom ist fast leer (Radius etwa $10^{-10}$ m), der Kern viel kleiner.

Eine Obergrenze für den Kernradius folgt aus der Energieerhaltung: Ein $\alpha$-Teilchen (Ladung $2e$) fliegt frontal auf einen Kern der Ladung $Ze$ zu und bleibt im Abstand $r_{\min}$ stehen, wenn seine kinetische Energie ganz in elektrische Energie umgewandelt ist. Der Kern ist kleiner als $r_{\min}$.

Die Bindungsenergie beträgt weniger als 1 % der Nukleonenmasse (8,8 MeV gegen 931,5 MeV je Nukleon), und ein Elektron wiegt nur $1/1836$ eines Protons. Die Kernmasse ist deshalb nahezu $A \cdot 1$ u, und über 99,9 % der Masse eines Atoms stecken im Kern.

Elektronen mit Wellenlänge unterhalb des Kernradius werden am Kern gebeugt, ähnlich wie Licht an einer Blende. Aus dem Beugungsmuster folgt der Radius. Für nicht zu leichte Kerne ergibt sich: Das Volumen wächst proportional zu $A$, jedes Nukleon beansprucht also etwa dasselbe Volumen, und die Dichte ist nahezu gleich. Ein Kubikzentimeter Kernmaterie hätte etwa 230 Millionen Tonnen Masse.

Ein Massenspektrograph trennt Ionen nach der Masse. Einfach geladene Ionen ($q = e$) durchlaufen zuerst einen Geschwindigkeitsfilter mit senkrecht zueinander stehenden Feldern $E$ und $B$: Geradeaus kommen nur Ionen mit $qE = qvB$ durch, also mit $v = E/B$. Danach lenkt ein homogenes Magnetfeld $B'$ senkrecht zur Bahn sie auf Halbkreise. Die Lorentzkraft ist die Zentripetalkraft, $q v B' = m v^2/r$. Der Radius ist proportional zur Masse: Isotope treffen an verschiedenen Stellen auf den Detektor. So misst man Atommassen (für den Massendefekt) und Isotopenhäufigkeiten.

Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen mit gleicher Masse und entgegengesetzter Ladung: zum Elektron das Positron $e^+$ (1932 in der Höhenstrahlung entdeckt), zum Proton das Antiproton. Das Photon ist sein eigenes Antiteilchen. Bei der Paarbildung entsteht aus Energie ein Teilchen-Antiteilchen-Paar, etwa $\gamma \to e^- + e^+$ im Feld eines Atomkerns, der den Impuls aufnimmt. Dazu braucht das Photon mindestens die Ruheenergie beider Teilchen, hier $2 m_e c^2 = 1{,}022$ MeV. Bei der Paarvernichtung zerstrahlen Teilchen und Antiteilchen zu Photonen: $e^- + e^+ \to 2\gamma$ mit je 511 keV. In der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) zeigen die beiden entgegengesetzt laufenden Photonen, wo ein $\beta^+$-Strahler im Körper zerfallen ist.

Das Standardmodell ordnet alle bekannten Elementarteilchen (nach heutigem Wissen ohne Substruktur) und beschreibt drei der vier Wechselwirkungen. Es gibt 6 Quarks mit Ladung $+\tfrac23 e$ (up, charm, top) oder $-\tfrac13 e$ (down, strange, bottom) und 6 Leptonen: Elektron, Myon und Tauon (Ladung $-e$) und je ein ungeladenes Neutrino. Beide sind in drei Generationen geordnet, jedes hat ein Antiteilchen. Alltägliche Materie besteht nur aus der ersten Generation.

Quarks tragen eine Farbladung und treten nie einzeln auf, sondern in farbneutralen Hadronen: Baryonen aus drei Quarks (Proton $uud$, Neutron $udd$) und Mesonen aus Quark und Antiquark (Pion $\pi^+ = u\bar d$). Ladung des Protons: $\tfrac23 + \tfrac23 - \tfrac13 = +1$. Streuversuche mit Elektronen von einigen GeV zeigen punktförmige Streuzentren im Proton. Der $\beta^-$-Zerfall ist $d \to u + e^- + \bar\nu_e$ (Ladung $-\tfrac13 \to +\tfrac23 - 1$). Das Higgs-Feld verleiht Quarks, geladenen Leptonen und $W$- und $Z$-Bosonen ihre Masse, das Higgs-Boson wurde 2012 am Beschleuniger LHC (CERN) nachgewiesen. Nicht erklärt sind Gravitation und dunkle Materie.

Ein geladenes Teilchen auf einer Kreisbahn wird beschleunigt und sendet elektromagnetische Strahlung aus. In einem Synchrotron halten Magnete die Teilchen auf dem Ring, Hochfrequenzfelder beschleunigen sie. Elektronen nahe der Lichtgeschwindigkeit strahlen die Synchrotronstrahlung gebündelt in Flugrichtung ab, sehr intensiv und mit einem Spektrum vom Infrarot bis zu harter Röntgenstrahlung. Man nutzt sie für Strukturuntersuchungen, etwa die Röntgenbeugung an Proteinkristallen. Für Beschleuniger ist sie ein Energieverlust, der bei gleicher Energie und gleichem Radius mit $1/m^4$ wächst: Elektronen verlieren etwa $1836^4 \approx 10^{13}$-mal mehr als Protonen. Deshalb beschleunigt man im großen Ring des LHC Protonen.