远在公元前4世纪，希腊哲学家留基伯和他的学生德谟克利特已经提出“原子”的概念。他们认为万物都是由大量不可分割的微小质点所组成，他们把这样的微小质点叫做“原子”。原子除有大小、形状和位置的差异外，没有区别。原子遵照一定的规律在“虚空”中不断运动。它们集合在一起时便形成物体，分离时物体便消失。在当时这仅是一种猜想而已，无法用实验证实。但是这个说法跟一切物体都能粉碎的事实是相吻合的。原子说在中世纪受到宗教和神学的压制，没有得到发展。到了公元17世纪，随着化学的发展，这种观点又重新传播起来了。
17世纪，通过卡文迪许和拉瓦锡等许多化学家的工作，发现了水可分解为氧和氢两种元素；空气是由氧、氢和氮等元素混合而成的，燃烧只不过是元素和氧起激烈反应等等。随着几十种元素的发现，英国化学家道尔顿提出了新的原子学说。他认为物质是由许多种类不同的元素所组成，元素又由非常微小的，不可再分的、不能毁灭又不能创生的原子所组成。同种元素的原子大小、性质等都相同，异种元素的原子是不相同的。道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律、定比定律和倍比定律等。道尔顿的原子说是根据事实概括的结果，能够用来研究和发现新的现象，因此比古代原子说更进一步。
19世纪后半期，分子运动论有了进一步发展，人们逐步建立起近代的原子分子学说。但是原子分子是否存在，一直没有用实验证实。1905年，爱因斯坦用分子运动论的观点从理论上解释布朗运动获得成功，他还提出了测定分子大小的新方法。1908年，法国物理学家佩林按爱因斯坦的方法，用实验测定了分子的大小，结果跟爱因斯坦预言的一致，终于在科学界确认了现代分子原子学说。
1897年汤姆逊发现了电子，并证明了电子是各种元素的基本组成部分。1903年卢瑟福和化学家索迪合作，通过实验发现了一种物质可以变成另一种物质，提出了原子自然衰变的理论。这些事实打破了道尔顿以来人们认为原子不可再分割的观念。
带负电的电子的发现，向人们提出了这样一个问题，原子内部有许多电子，但原子又是电中性的，说明原子内部还有带正电的物质。那么，这些物质在原子内部是怎样分布的呢？
1903年汤姆逊在爱尔兰大学讲课时，以元素进化说为基础，提出了他的原子结构模型：正电荷均匀地分布在原子球内，一些电子等间隔地排列在与球同心的圆周上。他还计算了在正电球库仑力以及电子相互间库仑力的作用下，使这种原子结构保持稳定状态的条件。在计算中汤姆逊发现，为了不使电子都集中到球心，电子必需分布在几个同心圆环上，如果尽量减少圆环数，对应正电球里各种数目电子的稳定分布就出现了周期性。汤姆逊的模型后来被证明是错误的，但他的这些研究为后人建立原子模型提供了不少启示。
汤姆逊（1856—1940年）英国物理学家，1856年生于曼彻斯特的一个专印大学课本的书商家庭。由于父亲的职业关系，汤姆逊从小就结识了一些曼彻斯特大学教授，受学者的影响，汤姆逊学习很认真，14岁便进了曼彻斯特大学。1876年21岁的汤姆逊便被保送到剑桥大学三一学院深造。此后，他一直在剑桥教书和研究。
1884年，瑞利从卡文迪许实验室退休时，推荐27岁的汤姆逊接任该实验室主任之职。此后，汤姆逊领导这个机构达34年之久。汤姆逊对自己的学生要求非常严格。他要求学生在开始做研究之前，必须学习好所需要的实验技术，实验仪器全要自己动手制造。他要求学生成为会思考、有独立工作能力的人，成为不仅是实验的观察者，更是实验的创造者。在汤姆逊严格培养下，后来有9名学生获得了诺贝尔奖。其中有威尔逊、卢瑟福等。
1906年汤姆逊因发现电子而获得该年度的诺贝尔奖。
1940年8月30日他在剑桥逝世。为表彰他的杰出贡献，他的骨灰与牛顿、达尔文、开尔文等伟大科学家的骨灰放在一起。
1911年卢瑟福根据α粒子散射实验的结果，否定了汤姆逊的原子模型，提出了核式原子结构模型。认为原子的绝大部分质量和所有正电荷都集中在体积相当小的原子核内，电子在核外绕核旋转。
卢瑟福模型在当时并不被物理学家们所普遍接受。按经典电磁理论，绕核旋转的电子，因作加速运动，要向外辐射电磁波，这将消耗电子的绕核运动的能量，使它最终落到原子核上。说明这样的原子结构极不稳定，而通常所见的原子是极稳定的。再有电子绕核运转最后落到原子核的过程中辐射出的电磁波或光波应成连续光谱。而原子处于炽热状态时所发射的光，不是连续光谱而是线光谱。
1895年卢瑟福来到英国，师从汤姆逊教授。从此他开始了研究原子核物理的生涯。卢瑟福在原子核物理学方面有许多建树。著名的α粒子散射实验就是在他领导下完成的。
1908年，卢瑟福因“在元素蜕变及其放射化学方面的研究”而获得该年度的诺贝尔化学奖。在得奖演说中；他风趣地说：“我一生中，曾经历过各种不同的变化，但最大的变化要算这一次了。我竟从物理学家一下子变成了化学家。”
卢瑟福也是培养青年的良师。许多有名的科学家例如玻尔、莫塞莱、查德威克和盖革等都是他的学生。
1913年，丹麦的物理学家玻尔为了克服核式模型和经典物理理论的矛盾，提出经典电磁理论只适合于宏观现象，但不适合于微观现象，原子内部的运动遵守另外的规律。他大胆地引进普朗克的量子理论，提出了两个假设。玻尔认为在原子核的库仑场中存在一些特定的电子绕核运转的轨道，在这些轨道中运动的电子虽然有加速度，但不会向外发射电磁波。对应于每一稳定轨道，原子具有一定的能量。
电子能够从一个稳定轨道跃迁到另一稳定轨道，在这个跃迁中原子将吸收或放出一定频率的单色光。单色光的能量等于两个稳定轨道对应的原子状态的能量差。
玻尔按这两个假设，定量地计算出了氢原子的电子绕核运动的轨道半径和它们对应的原子稳定状态的能量，导出了光谱学中的巴耳末系的计算公式，理论计算与实验结果完全一致。玻尔的理论不仅使人们确信了原子的核式结构，而且还使长期积累的光谱资料理出了清晰而有条理的系统。从此原子光谱和分子光谱成了研究原子和分子结构的有力工具。
玻尔理论后经索末菲等人的改进。索末菲从实验事实出发，将电子绕核轨道从单一的圆轨道，推广到椭圆轨道。并且他还发现轨道在空间的取向也是量子化的，从而引入了主量子数、角量子数和磁量子数的概念。索末菲的理论成功地解释了在强电场下，氢原子光谱出现分裂的斯塔克效应和处在强磁场中的光源发射的谱线，会分裂的塞曼效应。1920年索末菲又引入了第四个量子数。这第四个量子数直到1925年才被科学家弄清楚，原来是绕核旋转的电子的自旋量子数。
1925年泡利在研究四个量子数跟原子核外电子排布的关系时，发现了泡利不相容原理：在同一原子内，具有完全相同的四个量子数的电子只能有一个。利用玻尔、索末菲理论加上泡利不相容原理可以成功地解释核外电子的排布。至此经典的原子物理学完全建立了起来。原子核物理学的发展是和19世纪末以来原子物理学的发展交织在一起的。自1896年贝克勒尔发现铀盐的放射性之后，一些科学家着手寻找其他新的放射性元素。其中最有成就的数居里夫妇了，通过他俩的艰苦努力，发现了镭和钋。另一些科学家着重研究放射性物质放出的射线性质以及射线和物质本身的关系。研究工作也取得了累累硕果。卢瑟福弄清了放射性物质放出射线含有三种成分，即α射线、β射线和γ射线。并弄清了α射线带正电；β射线带负电，γ射线不带电。卢瑟福和化学家索迪合作弄清了放射性物质放出射线后自身变成了新物质，于1908年提出了原子自然衰变的理论：（1）放射线是随着放射性物质变化为另外的新物质时放出来的。
（2）放射线是由带电物质粒子所组成的。这种粒子的放出，本身就是放射性变化。
（3）在放射性变化中，化学原子被破坏了。
（4）放射性变化的衰减服从指数规律。
1913年由索迪正确地归纳出放射性物质衰变时的位移法则：放出α射线时，生成的元素在周期表里原子序数减少2。放出β射线时，原子序数增加1。
质子、中子和电子后来被科学家称为构成物质的基本粒子。但随着研究工作的深入，目前已发现基本粒子有三百多种，其中包括正电子、反质子、介子和中微子等等。
在铀和钍衰变为铅的过程中还形成另外三种不稳定元素，它们有的是通过对沥青铀矿的细致分析而被发现的，有的则是通过对放射性物质的深入研究而被发现的。
带正电的质子聚集在这么小的原子核中，而不被强大的库仑力拆散，这使科学家发现了核力。通过核力和基本粒子间相互作用的研究，目前物理学家普遍认为在自然界中存在四种基本力：万有引力、库仑力、强相互作用和弱相互作用力。20世纪在原子核物理方面的一项巨大成就是原子核能的应用。
1903年皮埃尔·居里夫妇发现每克镭每小时要放出400焦耳以上的热量。经研究，这是因为镭放出的射线中的粒子有很大的动能，动能的一小部分在放射过程中转变为热能造成的。但经计算1克镭能放出的热能十分巨大，竟比相应的化学能大几百万倍。由于放射性现象是由原子核的变化产生的，原子核内可能蕴藏如此巨大的能量吗？1905年爱因斯坦发表的质能关系式E=mc2，给出了这种可能性。
1925年科学家们又发现各种原子核的质量略小于构成它们的核子即中子、质子的质量之和，出现了“质量亏损”。结合爱因斯坦的质能关系式，科学家们想到这是中子、质子在构成原子核时有一部分质量转化为结合能放出了。科学家们又研究了周期表中各元素原子核内单个核子的“平均结合能”，发现原子序数较小的和原子序数大的原子的平均结合能较小，处于中间的元素原子的平均结合能特别大。这就提示科学家，如果有可能把原子序数大的元素原子打碎成几块（裂变），或把几个轻核合并起来（聚合），在这样的反应过程中，将会释放出巨大的能量。后来科学家果然找到了铀核打碎，得到巨大能量的方法，制成了原子弹和原子能发电站。科学家也找到了把几个轻核聚合起来的办法，制成了氢弹。但如何使聚合反应也能在人的控制下进行，并利用反应过程中放出的巨大能量发电的办法至今还未完全找到。一旦这方面有所突破，人类面临的能源危机将大大缓解。
