Научные исследования относились главным образом к строению ядра атома, периодической системе химических элементов, явлению изотопии. В 1911 г., спустя месяц после создания Э. Резерфордом ядерной модели атома, Ван ден Брук выдвинул гипотезу, согласно которой порядковый номер элемента в периодической таблице равен числу электронов в атоме и, следовательно, положительному заряду ядра атома ("Nature", 20 июня 1911). В 1913 г. предложил протонно-электронную модель строения атомных ядер. Согласно этой модели ядро состоит из протонов и особых, ядерных электронов – последние испускаются ядрами радиоактивных элементов в качестве бета-лучей. Протонно-электронная гипотеза являлась общепризнанной до 1932 г. После открытия Дж. Чедвиком нейтрона В. Гейзенберг предложил модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов.