Oldtiden
Atombegrepet skriver seg helt fra oldtidens greske naturfilosofer. Disse forsøkte ved logisk tenkning å komme frem til en forståelse av stoffets (materiens) natur. De eldste naturfilosofer inntil Anaxagoras tenkte seg at stoffet var kontinuerlig, dvs. delelig i det uendelige. Anaxagoras utformet denne teorien til sin ytterste konsekvens og uttalte: «Alt inneholdes i alt», ethvert stoff er en blanding av alle mulige stoffer.
I motsetning til dette kom Levkippos (ca. 470 f.Kr.) og hans elev Demokrit fra Abdera (ca. 460–370 f.Kr.) til at materien ikke kunne være delelig i det uendelige. Etter deres mening førte dette til logisk umulige konsekvenser. I stedet antok de at materien måtte være bygd opp av små udelelige partikler, som de kalte atomer, og som de tenkte seg måtte være atskilt ved tomt rom. Levkippos kom til dette resultatet ved å gå ut fra at det er bevegelse til stede i verden. Det må derfor være noe, nemlig det tomme rom, som bevegelsen kan foregå i. Stoffdelene må følgelig være atskilt ved tomrom. Var stoffet delelig i det uendelige, måtte det være tomrom mellom delene, og stoffdelene selv måtte være uendelig små, dvs. de kunne ikke eksistere. Med udelelig menes her fysikalsk udelelig, slik at man godt kan tenke seg atomet delt videre som enhver geometrisk figur. Levkippos tenkte seg atomene dannet av ett og samme urstoff. Det var bare formen som var forskjellig. Atomets form ble derfor det som karakteriserte dem.
Demokrit utviklet atomteorien videre. Han mente at ikke bare atomets form, men også dets størrelse kunne variere. Demokrits lære ble delvis overtatt av epikureerne og ble også skildret av den romerske dikter Lukrets (98–55 f.Kr.) i hans dikt De rerum natura. Atomteorien ble derimot ikke tatt opp av Aristoteles. På grunn av den dominerende innflytelse den aristoteliske lære hadde, gikk atomteorien nesten helt i glemmeboken i oldtidens og middelalderens fysikk og kjemi.
Nyere tid
Det var først på 1600-tallet at Pierre Gassendi (1592–1655) og Joachim Jungius (1587–1657) tok opp igjen de greske atomistiske forestillinger. I den arabiske fysikk hadde man to vesentlig forskjellige atomteorier. Den ene teori, kalam, holdt atomet for rent abstrakte ting, uten volum eller overflate, men heller ikke som matematiske punkter. Den annen teori, Razis atomteori, lå nær opp til Demokrits. Også Robert Boyle (1626–91) og Isaac Newton (1643–1727) benyttet seg av atombegrepet, men det var først John Dalton (1766–1844) som ved sin atomhypotese fra 1807 kan sies å ha lagt grunnlaget for den moderne atomteori. Hans oppfatning av materiens oppbygning kan sammenfattes i følgende punkter: 1) Alle kjemiske grunnstoffer er bygd opp av atomer. 2) Alle atomer som hører til samme grunnstoff, er identiske i vekt, størrelse og form, men har en vekt, størrelse og form som er forskjellig fra alle andre grunnstoffers atomer. 3) Atomene er udelelige; de kan ikke spaltes i mindre deler. 4) Grunnstoffenes atomer forener seg i enkle forhold til «compound atoms» eller det vi kaller molekyler (lat. molecula, 'liten masse').
Selv om den senere utvikling har ført til at flere av Daltons antagelser har måttet modifiseres, ble hans atomteori av grunnleggende betydning for kjemien og dens utvikling. Atomene og molekylene ble til realiteter som kjemikerne begynte å regne med og behandle selv om de ikke var synlige for det blotte øye og kunne isoleres hver for seg. De kjemiske reaksjoner ble oppfattet som reaksjoner mellom atomer og molekyler og de lover som gjelder for kjemiske reaksjoner: Lovene om de konstante og multiple forhold i de kjemiske forbindelser fikk en enkel og innlysende forklaring ved Daltons atomteori. Den gav også støtet til de første atommassebestemmelser. Allerede Dalton foretok slike bestemmelser. Disse første atommassebestemmelser var imidlertid i flere tilfeller beheftet med prinsipielle feil. Det kom av at man manglet kjennskap til molekylenes riktige sammensetning.
Det var først etter at den italienske fysikeren Amadeo Avogadro (1776–1856) i 1811 hadde fremsatt hypotesen om at like store volum av forskjellige gasser ved samme trykk og temperatur inneholder like mange molekyler, at man fikk midler i hende til å bestemme molekylenes riktige atomære sammensetning og riktige verdier for atommassene og molekylmassene. I våre dager blir de nøyaktigste atommassebestemmelser utført ved hjelp av massespektroskopi. Det er da ikke bare mulig å bestemme de enkelte isotopenes atommasser med stor nøyaktighet, men også mengdeforholdet mellom isotopene og derav igjen den gjennomsnittlige relative atommasse for grunnstoffet.
Til de første forestillinger om atomer var det ikke knyttet elektriske fenomener selv om man allerede i oldtiden hadde erfart at rav (gr. elektron)som ble gnidd, kunne trekke til seg lette ting, f.eks. biter av strå. At det kan forekomme både elektrisk tiltrekning og frastøting ble ikke oppdaget før i 1671 av den tyske fysiker Otto von Guericke (1602–86), og 62 år etter fant nederlenderen Charles Dufay (1692–1739) at det må være to slags elektrisitet, glasselektrisitet og lakkelektrisitet. Disse betegnelsene ble av amerikaneren Benjamin Franklin (1706–90) i 1747 erstattet med betegnelsen positiv og negativ elektrisitet.
Under studier av elektrolyse i 1833–34 kom den engelske fysiker og kjemiker Michael Faraday (1791–1867) til at elektrisk strøm i løsninger må skyldes bevegelse av elektrisk ladde atomer, og han kom dessuten til at det må forekomme en minste elektrisk ladning. I 1897 påviste den engelske fysiker J. J. Thomson (1856–1940) at det under elektriske utladninger i gass kan forekomme partikler (korpuskler) som alle har samme negative ladning, og han antok at den måtte være en elementærladning, en minste elektrisk ladning. Partiklene ble kalt elektroner, et navn som den nederlandske fysiker Henrik A. Lorentz (1853–1928) hadde foreslått to år før. I 1898 påviste den tyske fysiker K. W. Wien (1864–1928) at det også finnes positivt ladde partikler. De ble kalt protoner.
Etter en rekke forsøk hvor atomer ble bombardert med partikler fra radioaktive stoffer, kom den engelske fysikeren Ernest Rutherford (1871–1937) i 1911 til den konklusjon at atomet måtte bestå av en tung kjerne omgitt av lette elektroner, som beveget seg i baner i relativt stor avstand fra kjernen. Denne atommodellen ble i 1913 modifisert av Niels Bohr (1885–1962).
Den første kunstige kjernereaksjon ble frembrakt i 1919 da Rutherford bombarderte nitrogen med α-partikler.
Den viktige kjernepartikkelen, nøytronet, ble ikke funnet før i 1932 av den engelske fysikeren James Chadwick (1891–1974), og først etter den tid kom man frem til atommodellen hvor kjernen er satt sammen av protoner og nøytroner. I dag vet vi også at protonene og nøytronene er bygd opp av 3 kvarker. Se også proton, nøytron, elementærpartikkel.