W filozofii starożytnej atom oznaczał cząstkę najdrobniejszą, niezmienną, niepodzielną. Pojecie atomu niosło ze sobą teorię jakoby cala otaczająca nas materia była zbudowana właśnie z nich. Pionierską wizję świata zbudowanego z niepodzielnych atomów zawdzięczamy Demokrytowi, według niego wszystko miało się sprowadzać właśnie do atomów oraz dynamiki ich ruchów w przestrzeni, pisał on: "Istnieją atomy i próżnia, wszystko inne jest mniemaniem". Ta pierwsza głęboka myśl na temat charakteru wszechobecnej materii pochodzi ze starożytnej Grecji. Poza Demokrytem zwolennikami takich poglądów byli Epikur oraz Lukrecjusz.

Pierwotna idea atomu przyczyniła się znacznie do rozkwitu nauk przyrodniczych. Dawała ona sposobność sprowadzenia zjawisk makroskopowych do znanych już niektórych właściwości i zachowań fundamentalnych składników materii oraz ich ruchu. W trakcie rozwoju nauki wprowadzono również wielkość zwaną punktem materialnym, który z niewielkim obszarem materii. Obie te wielkości traktowane były podobnie. Przez lata rozwoju fizyki, pojecie atomu, rozumianego jako niezmienna i niedająca się podzielić cząsteczka, uległo znacznym modyfikacjom. Współcześnie "atom" kojarzy nam się z zupełni inną definicją. Słowo "atom" zachowało się, jednak pod tym pojęciem obecnie kryje się obecnie inny świat, o którym dawniej nikt nie wiedział.

Idea atomu została na trwale wprowadzona do chemii dopiero z początkiem XIX wieku, należało spojrzeć na atom z perspektywy pierwiastka. A zatem atomy danego pierwiastka mają identyczne własności oraz tą samą masę, podczas gdy te właściwości oraz masy są różne dla różnych pierwiastków. Nowość polegała na tym, że łączenie pierwiastków należało traktować jako łączenie się ich atomów. Tworzenie się nowych związków chemicznych odbywa się z zachowaniem określonych reguł i praw ilościowych. Weźmy np. węgiel, który może się łączyć z tlenem, w wyniku czego powstanie albo tlenek węgla, albo dwutlenek węgla. Pierwsza reakcja zachodzi, gdy 3 mole węgla łączą się z 4 molami tlenu, w drugiej natomiast 3 mole węgla wchodzą w reakcję z 8 częściami tlenu (w tym przypadku zawartość tlenu jest dwukrotnie większa). W wyniku reakcji jednego atomu węgla i pojedynczego atomu tlenu otrzymamy tlenek węgla, natomiast gdy jeden atom węgla połączy się z dwoma atomami tlenu to w rezultacie powstanie dwutlenek węgla. Z podobnymi problemami spotykamy się także przy innych pierwiastkach. Stosunki wagowe pozwalające na zajście reakcji łączenia się dwóch różnych pierwiastków dających kilka różnych stanów końcowych, mają się względem siebie jak nieduże liczby naturalne. Jest to pewna nieciągłość zjawisk chemicznych, które da się wyjaśnić właśnie na poziomie fizyki atomistycznej.

W trakcie rozwoju tej dziedziny wiedzy teorię atomów uzupełniono dodatkową hipotezą, iż niektóre pierwiastki, na przykład wodór, tlen, czy azot, ale także amoniak, występują w postaci molekuł w swobodnym stanie skupienia, cząsteczek powstałych w wyniku połączenia dwóch lub więcej atomów. Zdążają się także nieliczne gazy, których przykładem jest hel, mające cząsteczki jednoatomowe. W roku 1811 została sformułowana niezwykle ważna hipoteza, a mianowicie: w jednakowej objętości, w identycznej temperaturze, w tych samych warunkach ciśnieniowych wszystkie gazy wykazują tę samą liczbę cząsteczek, zwaną liczbą Avogadra od nazwiska autora, fizyka włoskiego pochodzenia. W tamtym czasie została też wprowadzona symbolika zapisu związków chemicznych, która jest stosowana po dzień dzisiejszy, przykładem jest CO2, czyli dwutlenek węgla.

W latach pięćdziesiątych XIX wieku została sformułowana kinetyczna teoria gazów, a wraz z nią powstał nowa dziedzina fizyki, zwana fizyką atomistyczną. Jej autorami byli P.Gassendi, D.Bernoulli, M.Łomonosow. Podstawy tej teorii niewiele odbiegały od poglądów filozofów starożytnych na strukturę atomu. Traktowała ona gaz jako zbiór cząsteczek bądź też atomów pozostających w ruchu. Miały one przypominać kuleczki, ulegające licznym zderzeniom sprężystym. U zarania teorii kinetycznej przyjmowano, że żadne siły nie występują miedzy zderzeniami cząsteczkowymi, w czasie tym cząsteczki miały się poruszać ruchem jednostajnym prostoliniowym. Formułę do pomiaru tego typu zdarzeń zaproponowali R.Clausius i J.Maxwell. Ich wizję najprościej można wyjaśnić na podstawie ciśnienia. Kinetyczna teoria gazów traktuje ciśnienie, jako wynik naporu na ścianki naczynia właśnie poprzez cząsteczki. Zatem mniejsza objętość przypadająca na daną ilość gazu oznacza, że częściej dochodzi tam do zderzeń. Wniosek jest taki: jeśli ściśniemy gaz, to skutkiem tego wzrośnie nam ciśnienie w zbiorniku. Mamy zatem prosty wniosek, ciśnienie gazu jest zależne od masy cząsteczki, ale także od liczby wszystkich cząsteczek znajdujących się w jednostce objętości, czyli do gęstości zajmowanej przez gaz, a także do kwadratu prędkości tych cząsteczek gazu. Gęstość oraz ciśnienie można zmierzyć doświadczalnie, a przy ich pomocy da się obliczyć prędkości cząsteczek gazu. Tą samą ideę można wykorzystać przy szukaniu innych wielkości. Wyniki te okazały się wielkim zaskoczeniem dla fizyków i wzbudziły niemałe zainteresowanie.

Kinetyczna teoria gazów oprócz niemałych zalet miała też słabe punkty, a mianowicie wynikały z niej zależności, które były już skądinąd znane. Nie było też eksperymentalnych wyników potwierdzających poprawność tej teorii, nie udało się przeprowadzić odpowiednich doświadczeń mających zweryfikować jej nowatorskie postulaty. Zatem trzeba się było zrezygnować z fizyki atomistycznej, a w szczególności z teorii kinetycznej. Podobna sytuacja była w chemii, tym co mogło przyczynić się do dalszego rozwoju tej dziedziny wiedzy były jedynie stosunki molowe i objętościowe, jednak ich interpretacja z wykorzystaniem atomów była jedynie wygodnym i mało przekonującym przypuszczeniem. Do przyjęcia tej teorii nie zniechęcał także fakt, że atomistyka wprowadzała szereg nowych wielkości, których nie można było bezpośrednim zmierzyć.

W niektórych środowiskach naukowych z końca XIX wieku fizyka atomu wydawała się być zbyt abstrakcyjna, aby mogła się okazać prawdziwa. Dopiero z początkiem XX wieku pojawiły się argumenty przemawiające zdecydowanie na jej korzyść. Wnioski wynikające z teorii kinetycznej wykazywały, że niektóre z zaobserwowanych procesów były niezgodne z założeniami fizyki niebazującej na atomach. Przesłania te odnosiły się do tak zwanych fluktuacji, które miały polegać na tym, iż gęstość gazu nie jest wielkością stałą. Jest to konsekwencją tego, że cząsteczki nieustannie się poruszają, przemieszczają z jednego obszaru do drugiego, a zatem w danym punkcie przestrzeni w określonym czasie będzie ich mniej lub więcej. Gęstość gazu będzie zatem ulegać ciągłym wahaniom, czyli tak zwanym fluktuacjom. Jest to naturalny stan rzeczy z perspektywy teorii kinetycznej, jednak stoi on w sprzeczności z postulatami nieatomistycznymi.

Na początku XX wieku ta sporna kwestia została rozstrzygnięta na rzecz atomistyki, zdano sobie bowiem sprawę z faktu, że fluktuacje rzeczywiście zachodzą, a ponadto można je doskonale wyjaśnić przy pomocy teorii kinetycznej. Niemały wkład do tych badań, wniosły ruchy Browna opisane przez polskiego uczonego Mariana Smoluchowskiego. Polegają one w zasadzie na nieregularnych i nieustannych ruchach drobnych cząsteczek zawieszonych w cieczy lub w gazie. Ruchy te są wynikiem fluktuacji zderzeń pomiędzy tymi niewielkimi ciałkami a cząsteczkami cieczy.

Na krotko przez publikacją wyników Smoluchowskiego, miało miejsce jeszcze jedno bardzo ważne odkrycie, któro także świadczyło o tym, ze w otaczającej nas materii jest jeszcze cos oprócz atomów, a mianowicie elektrony. Odkrycie dokonane przez Thomsona w 1899 roku nie pozostawiało wątpliwości, że istnieją obiekty blisko 2000 razy lżejsze od atomu najlżejszego pierwiastka, wodoru. Z punktu widzenia fizyki atomistycznej rezultat ten okazał się olśniewający, a kolejne zmodyfikowane i bardziej precyzyjne doświadczenia przeprowadzone już w XX wieku tylko go potwierdziły. Wtedy też przypisano elektronowi tak zwany ładunek elementarny odkryty w eksperymentach z elektrolizą. Drugim ważnym potwierdzeniem tego faktu okazało się odkrycie pierwiastków radioaktywnych z 1889 roku przez małżeństwo Currie. W obliczu takich dowodów trzeba było zmodyfikować dotychczasową wiedzę z chemii i kinetycznej teorii gazów na temat atomów. Od tej pory nikt już nie wątpił, iż są to obiekty o głębszej strukturze, które są tylko do pewnego stopnia trwałe.

Te spektakularne odkrycia nie zaskoczyły jednak wszystkich uczonych, Dymitr Mendelejew, autor tablicy pierwiastków, już wcześniej mówił o wewnętrznej mechanice atomów. I chociaż nazwa "atom" w swojej wcześniejszej formie zdezaktualizowała się, to jednak została przedefiniowana i zachowana w odniesieniu do całości.

Mechanika kwantowa również wniosła swój wkład do rozwoju tej dziedziny wiedzy. Atomiści zakładali, że atomy są na wielu płaszczyznach prostsze od znanego nam świata i dążyli do sprowadzenia wszelkich różnorodności obserwowanych zjawisk właśnie do atomów. Dawni filozofowie dostrzegliby tu podział na własności pierwotne, do których zaliczali ruch czy rozciągłość i własności wtórne, czyli smak, barwa. Atomy z założenia miały posiadać właściwości pierwotne, podobnie zresztą jak ciała makroskopowe, miały one być ich zminiaturyzowaną wersją. Różnica pomiędzy tymi atomami a normalnymi obiektami polegałaby wyłącznie na tym, że te pierwsze miały nie podlegać podziałom. Nie miało to jednak wynikać z ich budowy. Na gruncie mechaniki kwantowej sytuacja ta wygląda zupełnie inaczej. W teorii tej cząstek elementarnych nie można traktować jako zminiaturyzowanych kopi obiektów makroskopowych posiadających jakąś ekstra dodatkową cechę zapewniającą niepodzielność. Ich własności i zachowanie są zupełnie różne od tych, jakie obserwujemy dla ciał makroskopowych.

W połowie lat sześćdziesiątych XX wieku teoria kinetyczna sprecyzowała rozmiary atomów oraz ich liczbę i masę dla danego obiektu.