1871年，門捷列夫意識到了元素性質會隨著原子質量的遞增展現出週期性。他以此為基礎繪製了第一份元素週期表，並根據原子質量為元素排了序，這是原子序數最初的由來。

盧瑟福透過以α粒子轟擊金箔來證明原子核的存在，並以此構建了盧瑟福原子模型。依據此模型，他預測金的原子核的核電荷數應當為100。但是一位荷蘭律師範登布洛克不以為意，他認為原子核的正電荷數=電子數=元素在週期表上的編號（原子序數）。所以按照他的預測，金應該有79個質子。盧瑟福的同事，物理學家亨利.莫斯利（Henry Moseley）在1913年做了個實驗，來測定各元素的X射線光譜。這項實驗得出了著名的莫斯利定律，而該定律證實了核電荷數(此時人們並不知道核電荷數等於質子數）就是元素週期表裡的原子序數。

1917年盧瑟福又認識到了原子核是由大量“質子”構成的，金的相對原子質量是197，但根據莫斯利的實驗結果，金原子的核電荷數卻只有79，這怎麼解釋呢？盧瑟福的解釋為：金的原子核裡就是有197個帶正電的質子，但裡面還存在118個帶負電的“核電子”，這樣最終原子核的正電荷數就是79啦！直到1932年詹姆士.查德威克發現不帶電的中子。自此，人們才意識到金的原子核裡還有118個不帶電的中子。於是，人們終於可以確定的說：質子數=核電荷數。