Kimyoviy elementlarni fizik va kimyoviy xossalarining atom og‘irligi bilan bog‘liqligiga qarab tabiiy tasniflash va tizimlashtirish asoslarini topishga uzoq vaqt urinilgan. 1860-yillarda bu xususiyatlarni o‘zaro bog‘lovchi bir qancha ishlar paydo bo‘ldi: Shankurtua spirali, Nyulends jadvali, Odling va Meyer jadvallari. Biroq ularning hech biri qonuniyatni to‘liq va bir ma’noda tushuntira olmagan. Buni uddalagan rus kimyogari — D. I. Mendeleyev. 6 mart 1869-yil (18-mart 1869-yil) kuni Rus kimyo jamiyatining yig‘ilishida Mendeleyevning o‘zi kashf etgan Kimyoviy elementlarning davriy qonuni to‘g‘risidagi ma’ruza o‘qib eshittirildi. Ko‘p o‘tmay, uning «Elementlar xossalarining atom og‘irligi bilan bog‘liqligi» maqolasi quyidagi jurnalda chop etildi: «Rus fizika-kimyo jamiyati jurnali». O‘sha yili Mendeleyevning davriy jadvali keltirilgan «Kimyo asoslari» darsligining birinchi nashri ham bosmadan chiqdi. 29 noyabr 1870-yil (11-dekabr 1870-yil) sanasi bilan belgilangan, «Rus kimyo jamiyati jurnali»da «Elementlarning tabiiy tizimi va undan hali kashf etilmagan elementlarning xossalarini aniqlashda foydalanish» nomi bilan e’lon qilingan maqolasida Mendeleyev ilk bor «davriy qonun» atamasini ishlatdi hamda hali kashf etilmagan bir qancha elementlar mavjudligini ko‘rsatdi.

Mendeleyev o‘z ishlarida elementlarni atom og‘irligi bo‘yicha joylashtirdi, ammo bu qoidadan ongli ravishda chetga chiqib, tellurni (atom og‘irligi 127,6) yoddan (atom og‘irligi 126,9) oldin qo‘ydi. U buni elementlarning kimyoviy xossalari bilan izohladi. Elementlarning bunday tartibi ularning Z zaryad sonini hisobga olganda to‘g‘ri bo‘lib chiqadi, lekin Mendeleyev bu kattalikni bilmagan. Atom kimyosining keyingi rivojlanishi olimning taxmini to‘g‘ri ekanini tasdiqladi.

1911-yilda britaniyalik fizik Ernest Rezerford atom modelini taklif qildi. Unga ko‘ra, atom markazida uning massasining katta qismi jamlangan va musbat zaryadga ega yadro joylashgan. Bu zaryad elektron zaryadi birliklarida ifodalanganda, atomning vodorod atomlari massasi birliklarida o‘lchangan atom og‘irligining taxminan yarmiga teng bo‘lishi kerak edi. Rezerford o‘z modelini oltin (Z = 79, A = 197) atomiga oid ma’lumotlar asosida yaratgan. Shunday qilib, oltin yadrosining zaryadi taxminan 100 bo‘lishi kerak edi (holbuki, oltinning davriy jadvaldagi tartib raqami 79). Rezerfordning maqolasi chiqqanidan bir oy o‘tib, niderlandiyalik havaskor fizik Antonius van den Bruk birinchi bo‘lib yadro zaryadi va atomdagi elektronlar soni davriy jadvaldagi elementning tartib raqamiga (ya’ni Z bilan belgilanadigan atom raqamiga) aynan teng bo‘lishi kerakligini taxmin qildi. Keyinchalik bu faraz to‘liq tasdiqlandi.

Biroq klassik elektrodinamika nuqtayi nazaridan, Rezerford modelida yadro atrofida harakatlanayotgan elektron uzluksiz ravishda energiya nurlatishi va uni juda tez yo‘qotib, yadroga qulab tushishi kerak edi. Bu muammoni hal qilish uchun 1913-yilda daniyalik fizik Nils Bor atomning o‘z modelini taklif qildi. Bor atomdagi elektronlar faqat ma’lum (statsionar) orbitalarda harakatlana oladi, deb faraz qildi. Bunday orbitalarda ular energiya nurlatmaydi; nurlanish yoki energiya yutilishi faqat bir orbitadan boshqasiga o‘tish paytida yuz beradi. Bunda faqat elektronning impuls momenti butun son marta Plank doimiysiga teng bo‘ladigan orbitalargina statsionar hisoblanadi: .

1913-yilda britaniyalik kimyogar Genri Mozli N. Bor bilan munozaradan so‘ng Van den Bruk va Bor farazlarini tajribada sinab ko‘rishga qaror qildi. Buning uchun Mozli spektral chiziqlarning (K va L chiziqlari) foton o‘tishlari to‘lqin uzunliklarini alyuminiy (Z = 13) va oltin (Z = 79) atomlarida o‘lchadi. Ular rentgen naychasi ichida bir qator nishonlar sifatida ishlatilgan. Bu fotonlarning (rentgen nurlarining) chastotasidan olingan kvadrat ildiz bir nishondan boshqasiga o‘tganda arifmetik progressiya bo‘yicha ortib borgan. Shu asosda Mozli (Mozli qonuni) atom raqami yadro uchun hisoblangan elektr zaryadiga, ya’ni Z kattaligiga deyarli mos keladi, degan xulosaga keldi (Mozli ishida K chiziqlar uchun bir birlikka siljish mavjud edi). Mozlining tajribalari, jumladan, lantanoidlar qatorida (lantandan lyutetsiygacha, ikkala elementni ham qo‘shganda) roppa-rosa 15 ta element bo‘lishi kerakligini ko‘rsatdi — bundan kam ham, ko‘p ham emas. Bu o‘sha davr kimyogarlari uchun mutlaqo ravshan emas edi.

1915-yilda Mozli vafot etganidan so‘ng, uning usuli bilan vodoroddan urangacha (Z = 92) bo‘lgan barcha ma’lum elementlarning atom raqamlari o‘rganildi. Davriy jadvalda Z < 92 ga tegishli, hali kashf etilmagan yettita element borligi aniqlandi. Ularning atom raqamlari 43, 61, 72, 75, 85, 87 va 91 edi. Ushbu yettita «yo‘qolgan» elementning barchasi 1918–1947-yillarda kashf etildi: texnetsiy (Z = 43), prometiy (Z = 61), gafniy (Z = 72), reniy (Z = 75), astat (Z = 85), fransiy (Z = 87) va protaktiniy (Z = 91). Bu vaqtga kelib dastlabki to‘rtta transuran elementi ham kashf etilgani sababli, davriy jadvalning kyuriygacha bo‘lgan qismida hech qanday bo‘sh joy qolmagan edi. Bu qismdagi oxirgi element — kyuriy (Z = 96).

1915-yilga kelib ilmiy jamoatchilikda Z zaryad sonlari, ya’ni elementlarning tartib raqamlari vodorod atomi yadrosining zaryadiga butun son karrali bo‘lishi kerakligi anglab yetildi. Ammo buning sababi izohlanmagan edi. 1816-yildayoq ilgari surilgan Praut faraziga ko‘ra, vodorod o‘ziga xos birlamchi modda bo‘lib, boshqa barcha elementlarning atomlari undan muayyan kondensatsiya jarayoni orqali hosil bo‘lgan. Demak, barcha elementlarning atom og‘irliklari va yadro zaryadlari butun sonlarda ifodalanishi kerak edi. Biroq 1907-yilda Rezerford va Roydsning^[inglizcha] tajribalari alfa-zarralar +2 zaryadga ega bo‘lgan geliy atomlari yadrolari ekanini ko‘rsatdi; ularning massasi vodorodnikidan ikki emas, to‘rt marta katta. Agar Praut farazi to‘g‘ri bo‘lsa, og‘irroq atomlar yadrolarida mavjud vodorod yadrolarining zaryadini nimadir neytrallashi kerak edi.

1917-yilda (natijalari 1919 va 1925-yillarda e’lon qilingan tajribalarda) Rezerford vodorod yadrosi boshqa yadrolar tarkibida ham mavjudligini isbotladi. Bu natija odatda protonlarning kashf etilishi deb talqin qilinadi. Tajribalar Rezerford alfa-zarralar havoga (asosan azotdan iborat muhitga) yo‘naltirilganda detektorlar odatdagi vodorod yadrolari izlarini qayd etganini payqaganidan keyin boshlandi. Keyingi tajribalarda Rezerford havodagi azot bilan yuz beradigan reaksiyani kuzatdi va sof gazsimon azotga alfa-zarralar yuborilganda ta’sir kuchliroq bo‘lishini aniqladi. 1919-yilda u alfa-zarra azotdan protonni urib chiqarib, uni uglerodga aylantiradi, deb taxmin qildi. Ammo 1925-yilda Blekket kamerasida olingan tasvirlarni ko‘rgach, Rezerford buning aksi yuz berishini tushundi: alfa-zarra yutilgandan keyin proton ajralib chiqadi va yakuniy mahsulot uglerod emas, balki og‘irroq kislorod bo‘ladi. Ya’ni Z kamaymaydi, aksincha ortadi. Bu ilmiy adabiyotlarda tavsiflangan birinchi yadro reaksiyasi: ¹⁴N + α → ¹⁷O + p.

Rezerford 1920-yilda yangi og‘ir yadro zarralarini protonlar deb atadi (muqobil «prutonlar» va «protilar» nomlari ham taklif etilgan). Mozli ishlaridan og‘ir atomlar yadrolarining massasi, ular faqat vodorod yadrolaridan tuzilgan deb faraz qilingandagi kutilgan qiymatdan ikki baravar ko‘proq ekani kelib chiqardi. Shu sababli barcha og‘ir yadrolarda mavjud deb hisoblangan ortiqcha protonlar zaryadi qanday «neytrallanishi»ni tushuntirish zarur edi. Shundan kelib chiqib, «yadro elektronlari» deb atalgan zarralar haqidagi faraz ilgari surildi. Masalan, geliy yadrosi to‘rtta proton va ulardan ikkitasining zaryadini neytrallovchi ikkita «yadro elektroni»dan iborat deb taxmin qilingan. Rezerford ilgari ko‘rib chiqqan atom massasi 197, zaryadi 79 bo‘lgan oltin misolida esa oltin atomi yadrosida shunday 118 ta «yadro elektroni» bor deb hisoblangan.

«Yadro elektronlari» farazining asossizligi neytronning kashf etilishi ^{[inglizcha] (uni} Jeyms Chedvik 1932-yilda kashf etgan) natijasida ayon bo‘ldi. Atom yadrolarida neytronlarning mavjudligi atom og‘irligi bilan atomning zaryad soni orasidagi farqni oson tushuntirdi. Jumladan, oltin atomida 118 ta yadro elektroni emas, balki 118 ta neytron bor; yadrodagi musbat zaryad esa to‘liq 79 ta protondan iborat. Shunday qilib, 1932-yildan keyin elementning atom raqami Z uning yadrosidagi protonlar soni sifatida tushunila boshlandi.