公元1898年12月31日，農曆光緒二十四年十一月十九日，京師大學堂開學。第一批原計畫招生500人，因為戊戌變法失敗，許多人都噤若寒蟬，所以招生工作進行得並不順利，據之後一兩年的文獻記載，實際上仕學院學生27人，中學生151人，小學生17人，又附課學生43人，合仕學、中學、小學、附課生只有230餘人。比崇實中學的學生多不了多少。但它卻是中國近現代第一所國立大學，是當代北京大學、北京師範大學等著名學府的前身。
在開學那一天，孫元起作為學校第一批教習，有幸隨著中文總教習許景澄、西文總教習丁韙良等參加典禮。之後，大學堂並沒有立即開課，畢竟各省選送的學生還沒有到齊，相關的準備工作還在緩慢的進行。不過這些都不是孫元起所關心的。孫元起給了老佟幾十兩銀子，囑咐他準備好送給盧瑟福、Thomas的禮物。剩餘的錢，每日里買點食物送來。這段時間，孫元起一直躲在屋裡寫稿子。
那天，盧瑟福的建議確實打動了他，回來權衡良久，決定先寫一本簡單的小冊子，交由盧瑟福帶至加拿大，看看能不能有結果。因為盧瑟福打算1月6日動身赴McGill，以便趕上麥吉爾下學期的開學。所以，孫元起的時間就有些緊，只好每日呆在屋裡寫文稿。
小冊子的名字已經擬好，就叫《從原子、原子結構到元素、元素周期表、分子及化學反應本質》。雖然名字都是與化學有關，其實核心還是原子物理學。事實上，在十九世紀末、二十世紀初，物理和化學並沒有太分開，比如作為物理學大牛的盧瑟福，在1908年因對放射化學的研究榮獲諾貝爾化學獎。再比如提出電離學說的瑞典天才阿倫尼烏斯，該獲物理學獎還是化學獎，也曾讓諾貝爾獎評委們產生分歧。在1901年首屆諾貝爾獎評選時，他被提名物理學獎，但最終落選。1902年，聲名鵲起的他又被提名化學獎，但仍然落選。可作為物理化學的創始人，阿倫尼烏斯的電離學說，在物理和化學兩個學科里都具有很重要的作用。無奈之下，化學委員會提出給他「一半物理獎、一半化學獎」，甚至又提出「他獲獎問題延期至第二年」。最後，委員會還是把1903年的諾貝爾化學獎給了他。
1869年，俄國科學家門捷列夫（DmitriMendeleev）發現了元素周期律和元素周期表，他將當時已知的63種元素依原子量大小並以表的形式排列，把有相似化學性質的元素放在同一行，就是元素周期表的雛形。門捷列夫在排列元素周期表的過程中，又大膽指出，當時一些公認的原子量不準確。如那時金的原子量公認為169.2，按此在元素表中，金應排在鋨、銥、鉑的前面，因為它們被公認的原子量分別為198.6、196.7、196.7，而門捷列夫堅定地認為金應排列在這三種元素的後面，原子量都應重新測定。大家重測的結果，鋨為190.9、銥為193.1、鉑為195.2，而金是197.2。實踐證實了門捷列夫的論斷，也證明了周期律的正確性。
在門捷列夫編製的周期表中，還留有很多空格，這些空格應由尚未發現的元素來填滿。門捷列夫從理論上計算出這些尚未發現的元素的最重要性質，斷定它們介於鄰近元素的性質之間。例如，在鋅與砷之間的兩個空格中，他預言這兩個未知元素的性質分別為類鋁和類硅。就在他預言後的四年，法國化學家布阿勃朗用光譜分析法，從門鋅礦中發現了鎵。實驗證明，鎵的性質非常象鋁，也就是門捷列夫預言的類鋁。鎵的發現，具有重大的意義，它充分說明元素周期律是自然界的一條客觀規律；為以後元素的研究，新元素的探索，新物資、新材料的尋找，提供了一個可遵循的規律。
門捷列夫排列元素周期表是按照原子量大小來排列，並把相似化學性質的元素放在同一列。這些都是從元素的物理屬性（質量）和化學屬性（化學性質）來排布，並沒有揭露元素之間最本質的差異。孫元起的論文就從這個角度著手。
論文從孫元起前兩篇論文的結論寫起，認為原子有原子核和核外電子層組成，因為電子帶負電，所以原子核里應該有帶正電的其他粒子，它們非常小，卻擁有幾乎整個原子的質量；它們結構非常穩定，擁有的正電荷數和質量幾乎不變；原子核所帶正電荷數，決定了該種原子屬於何種元素，而原子核所帶正電荷數也與原子核的質量——即原子量——存在正關聯。
因為孫元起身邊並沒有實驗器材，只好「設計」了1913年英國物理學家莫塞萊的實驗：利用陰極射線撞擊金屬產生X射線。認為實驗結果「應該」是金屬的原子序數越大，X射線的頻率就越高。因此可以從一個方面證明原子核的正電荷決定了元素的化學性質，原子序數在數量上等於原子核所帶的正電荷，進而明確作為周期律的基礎不是原子量，而是原子序數。
這是論文的第一部分，主要討論原子核與元素之間的關係。
而論文的第二部分，孫元起則開始討論原子核外層的電子及其與元素化合物之間的關係。這些主要「剽竊」自物理學界另一位大牛尼爾斯·玻爾（NielsHenrikDavidBohr）的研究成果。
玻爾（1885—1962）是丹麥著名物理學家，家境良好。1903年進入哥本哈根大數學與自然科學系讀書。1906年，還是大學生的玻爾就因對水的表面張力的出色研究工作，榮獲丹麥皇家科學院金質獎章。其後，於1909年和1911年以金屬電子論方面的論文，分別獲得哥本哈根大學的科學碩士和哲學博士學位。1911年赴英國劍橋大學，在J·J·湯姆遜的指導下，跟盧瑟福搞科研。1913年，寫出了《原子構造和分子構造》（1）（2）（3）三篇論文，提出了定態躍遷的原子模型，即著名的玻爾原子理論。1922年，因對原子結構及原子輻射的研究而獲得諾貝爾物理學獎。當然，玻爾關於電子的「躍遷假設」論述，孫元起並不准備在這個小冊子中講明——因為現在普朗克還沒有提出能量子假說，或許這是下一篇論文「剽竊」的對象——他只準備說一些粗淺的，就像二十一世紀中學物理、化學課本中所敘述的那樣，只有這樣，才能吸引全世界科學家和科學愛好者的注意力。
在這一部分中，主要是論述電子層的「定態假設」：原子核外層電子數應該和原子核正電荷數相符合，但是他們如何排列呢？「根據」門捷列夫的元素周期表，可以「設想」第一層穩態為2個電子，第二層為8個，第三層也是8個，第四、第五層則是18個……原子為了達到穩態，會失去或捕獲電子。失去或捕獲電子能力的大小，決定元素的化學屬性。所謂分子，就是數種元素的原子按照一定方式排布，達到穩態所形成的化合物。而化學反應的本質，也可據此原理來推衍，就是不同的離子組成更穩定的化合物。其後，又並就化學反應方程式、元素化合價等進行討論和總結。
阿倫尼烏斯在1883年開始創立電離學說，解釋溶液中的元素是如何被電解分離的現象。並在1884年以《電解質的導電性研究》論文申請博士，但他宣讀完論文後，教授們「個個怒不可遏」，難以容忍這種「荒謬絕倫」甚至「純粹是空想」的理論。在同克萊夫「激烈辯論」後，他的論文被評為3級，需要再次答辯。後來，他的電離學說才漸漸被學界所接受，但其只解釋了這個現象，並不知道為什麼會這樣。在孫元起的論文中，給出了最根本的解釋。
論文內容在現代人看來，是非常淺顯的，因為這些已經被寫入中學課本，被認為是理所當然的。但對於十九世紀末的科學界，卻不亞於是晴天霹靂，絕對有振聾發聵的效果。
孫元起在寫的時候，主要精力是放在如何表述得明白卻又有理有據，又如何用英文表述。寫完之後，自我感覺是：它不像是科學論文，也不像科幻小說，更像是偵探筆錄。即便如此，孫元起已經感覺非常滿意了。
就在這時候，盧瑟福已經打點好行李，準備搭乘客輪，穿越太平洋，先到三藩市，然後跨過美國，進入加拿大。孫元起從老佟那裡取了禮物，打開一看，卻是瓷器、刺繡、紅茶之類，也不知道這樣的禮物合不合適。旁邊的老佟則滿臉得意：
「雖然這是咱第一次給洋鬼子買禮物，我可特意去問了丁韙良丁大人，這些都是他推薦的，一準兒行！瞧著瓷器沒？正宗的景德鎮官窯，個頂個的精美，絕對不掉咱大清的份兒！洋鬼子拿了，沒準兒當做傳家寶呢！再瞧瞧這紅茶，上品祁紅！……」
孫元起只好讚揚了老佟幾句，誇他對大清的「土特產」了如指掌。
1月5日早上，洗漱完畢之後拿上禮物和寫好的小冊子，直奔東交民巷的美國公使館。兩份禮物還是很大分量的，所以雇了輛大車。這段日子隔三差五的過來，使館作為的兩國兵丁都混了個面熟，沒有為難，就進去了。康格一家和盧瑟福都在，只是Thomas明日就要隨著盧瑟福一起到美國，然後回劍橋，康