1913年H.G.J.莫塞莱用不同的金属作X射线管的对阴极（靶极），研究它们产生的特征X射线，发现各元素特征X射线的波长排列的顺序与它们在周期表中的秩序是一致的；并确定了特征X射线波数（波长的倒数）的平方根与该元素的原子序数Z呈直线关系：

式中和为常数。莫塞莱的发现和E.卢瑟福等人的α粒子散射实验结果相符，据此得出结论：原子序数正好等于核的正电荷数（核电荷数），即核内的质子数。

原子序数的测定和按原子序数排序，解决了周期表中原来按原子量的大小排序时氩和钾、钴和镍、碲和碘三对元素的顺序颠倒的问题。