质子和中子统称为核子，中子不带电，质子带正电荷，因此质子间存在着静电排斥力。万有引力虽然使各核子相互吸引，但在两个质子之间的静电排斥力比它们之间的万有引力要大万亿亿倍以上。所以，一定存在第三种基本相互作用——强相互作用力。人们将核子结合成为原子核的力称为核力，核力来源于强相互作用。从原子核的大小以及核子和核子碰撞时的截面估计，核力的有效作用距离力程约为一千万亿分之一米。
原子核主要由强相互作用力将核子结合而成，当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反应时，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核（如铀原子核）在吸收一个中子以后，会裂变成两个较轻的原子核，同时放出20～30个中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量。这种原子核的熔合过程叫作聚变。
粒子加速器的发明和裂变反应堆的建成，使人们能够获得大量能量较高的质子、电子、光子、原子核和大量中子，可以用来轰击原子核，系统地开展关于原子核的性质及其运动、转化和相互作用过程的研究。
高能物理研究发现，核子还有内部结构。原子核结构是一个比原子结构更为复杂的研究领域。目前，关于原子核结构，原子核反应和衰变的理论都是模型理论，其中一部分相当成功地反映了原子核的客观规律。
固体物理学
固体物理学是研究固体性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。
固体的内部结构和运动形式很复杂，这方面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而且具有明显的规律性，较易研究。1912年劳厄等发现X射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析基础。对于磁有序的结构的晶体，增加了自旋磁矩有序排列的对称性，直到20世纪50年代舒布尼科夫才建立了磁有序的对称理论。以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。
固体物理对于技术的发展有很多重要的应用。晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算机技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固体物理学也是材料科学的基础。
等离子体物理学
等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。
等离子体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着。高温等离子体还有多种不稳定性，因此等离子体研究是个非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程，但这组方程非常难解，目前还很难准确预言等离子体的性质和行为。
微观世界的揭秘者——电子显微镜
电子显微镜的诞生，人们可以通过它看到细胞内部极为细小的结构，可以在分子的基础上研究生命的奥秘，由此还产生了一门重要的现代新学科——分子生物学。电子显微镜是现代科学技术进步的成果，也是推动现代科学技术不断发展的有力工具。
1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼博士和海·罗雷尔博士及其同事们共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（STM）。它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。为此，1986年，宾尼博士和罗雷尔与发明电子显微镜的鲁斯卡获得了诺贝尔物理学奖。
基本粒子相互作用
基本粒子按照其质量、寿命、自旋以及参与的相互作用等性质，可分为轻子、强子（重子、介子），以及相互作用的传递子等。在这些基本粒子所组成的基本粒子的世界中存在着四种相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。引力作用在微观世界中太弱，因此可以不考虑。
温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础，完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此而获得1979年诺贝尔物理学奖。目前科学家们想把强相互作用和引力相互作用也统一进来，但困难比较大。目前最有希望的理论是超弦理论。
夸克模型
基本粒子如此之多，难道它们真的都是最基本、不可分的吗？近40年来大量实验实事表明至少强子是有内部结构的。
1964年盖尔曼（生于1929年）提出了夸克模型，认为介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由三个夸克组成。他因此获得1969年诺贝尔物理学奖。1990年，弗里德曼、肯德尔和泰勒因在粒子物理学夸克模型发展中的先驱性工作而获得诺贝尔物理学奖。1965年，费曼、施温格、朝永振一郎因在量子电动力学重整化和计算方法上的贡献，对基本粒子物理学产生深远影响而获得诺贝尔物理学奖。温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础，完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此获得1979年诺贝尔物理学奖。目前统一场论的发展正向着把强相互作用统一起来的大统一理论和把引力统一进来的超统一理论前进；并且这种有关小宇宙的理论与大宇宙研究的结合，正在推动着宇宙学的发展。
粒子研究的强力工具——高能加速器
高能加速器是核物理学和粒子物理学研究的强有力工具和现代化实验手段。它采用人工方法加速带电粒子，以产生高速度、高能量的新粒子。为什么需要高能量的粒子呢？这是因为在核物理学和粒子物理学研究中，需要深入到基本粒子的内部，才能探求其秘密。高能加速器的原理，就是使带电粒子在电场中获得能量而加速，再用磁场约束其运动轨道，根据实验的需要进行有效的控制。它的原理虽然简单，但技术十分复杂。
揭示低温下的奇迹——低温物理学
经过长期实践，人们发现在一个大气压下，空气要在81K（约-192℃）以下才可能液化，便把低于81K以下的温度范围称为低温。如果采用特殊技术（称低温技术）把气体液化，并将它们置于特殊的容器中保存起来，就可以获得低温。许多物质在低温范围里显示了从未有过的奇导特性和规律。我们把研究物质在低温下的结构、特性和运动规律的科学，叫做低温物理。
超导电性的广泛应用
在工业领域，超导电性也有着广泛的应用，遍及电能、电机、交通运输、空间技术等各个方面。例如，美国、日本、法国、前苏联等国家都进行过超导电机和超导磁流体发电的试验。还有许多国家都试图将超导磁体用作变控热核堆的等离子体约束磁场等。在交通运输方面，日本最先设计出超导磁悬浮列车，时速可达到500公里／小时，并且样车已在东京-大阪间进行了表演。在空间技术领域，虽然人们应用超导磁体的起步时间不长，但有许多设想已经得到实现，如超导磁体轨道、火箭内磁力系统、宇宙辐射用磁分析器等。
原子时代的拓荒者——康普顿
康普顿（1892-1962）是美国物理学家。他由于对X射线的散射现象进行研究，并根据爱因斯坦的光子理论做了科学的解释，从而发现了“康普顿效应”，即短波长电磁辐射射入物质而被散射后，在散射波中，除了原波长的波以外，还出现波长增大的波。散射物的原子序数愈大，散射波中波长增大部分的强度和原波长部分的强度之比就愈小。这一发现对能量力子理论的进展，做出了重要贡献。因此，他获得1927年度诺贝尔物理学奖。
康普顿不仅发现了“康普顿效应”，而且也是人类原子时代的一颗巨星。“二战”后期，以爱因斯坦为首的一批著名物理学家联名写信给罗斯福，建议对原子能的利用立即进行研究。罗斯福马上任命成立以康普顿为领导人的“铀顾问委员会”。之后，又拨巨款作为研究经费。
1942年11月12日下午，人类科学史上第一次链式反应实验成功了，人类从此步入了神奇的原子时代。
理论物理学的核心——泡利
泡利（1900-1958）是瑞士籍奥地利理论物理学家。在理论物理学的每个领域里，泡利几乎都做出过重要的贡献。
1924年，他发表了著名的泡利不相容原理，该原理指出：原子中不可能有两个或两个以上的电子处于同一量子态。这一原理使当时许多有关原子结构的问题得以圆满解决，对于正确理解反常塞曼效应、原子中电子壳层的形成以及元素周期律都是必不可少的。泡利因此荣获1945年诺贝尔物理学奖。
1958年12月14日，泡利在瑞士苏黎世逝世。在他的葬礼上，人们赞誉他是“理论物理学的核心”。
量子力学的创始人——海森伯格
海森伯格（1901-1976）是德国物理学家，量子力学的创始人。量子力学，是研究微观粒子运动规律的理论，是现代物理学的基础理论之一。物质都是由原子构成的，但原子并不是物质的最小单位，原子是由一个原子核和围绕核运动的若干个中子构成的。其中原子核还由若干个质子和中子构成。从现代科学水平看，中子、质子都属于构成物质的基本粒子。据最新统计，已经发现的基本粒子就有300种以上。对于物质结构的层次，由于出现了量子力学，才使人们的认识随着科学的研究不断加深。
海森伯格对原子论和核子论的创新见解引起了学术界的瞩目。后来，他又进行了一系列的研究。如果说过去探索物质结构的秘密，是在黑暗中进行的话，那么自从有了相对论和量子力学以后，现代物理学就有了强大的探照灯，它照亮了科学向前发展的道路。因此海森伯格在1932年获得了诺贝尔物理学奖。
粒子学大师——费米
费米（1901-1954）是意大利物理学家。1922年获比萨大学博士学位。1923年前往德国，在玻恩的指导下从事研究工作。他在现代理论物理学和实验物理学方面都有重大贡献。他发现了泡利不相容原理的微观粒子费米，美籍意大利物理学家。他主要从事统计物理、原子物理、原子核物理、粒子物理、天体物理和技术物理等方面的研究（费米子）的量子统计法；导出β衰变的定量理论，开创了现代基本粒子相互作用的理论；提出的热中子扩散理论是原子核反应堆的工作原理。费米因利用中子辐射发现新的放射性元素，及慢中子所引起的有关核反应，而获得1938年诺贝尔奖。
费米还领导建成世界上第一座原子核反应堆，培养了许多优秀的物理学家，杨振宁、李政道等均出自其门下。