Der Gedanke, dass das Atom zusammengesetzt ist, entstand Ende des 19. Jahrhunderts mit der Entdeckung des Periodensystems der Elemente durch D. I. Mendelejew, der elektromagnetischen Natur des Lichtes, des Elektrons, der Erscheinung der Radioaktivität. Es wurden verschiedene Atommodelle entworfen. W. I. Lenin hielt die Ende des 19. Jahrhunderts aufgestellte Hypothese, nach der das Atommodell als eine Art Planetensystem dargestellt wurde, für die wahrscheinlichste. Sie fand ihre experimentelle Bestätigung in den Versuchen von E. Rutherford, der untersuchte, wie die a-Teilchen (positiv geladene Heliumkerne) verschiedene Stoffe durchdringen, und zu der Schlussfolgerung kam, dass sich die positive Ladung im Zentrum des Atoms befindet und einen sehr geringen Teil seines Volumens ausmacht. 1911 unterbreitete er ein Modell, demzufolge sich im Zentrum des Atoms ein positiv geladener Kern befindet, dessen Masse fast der gesamten Masse des Atoms gleichkommt und um den auf verschiedenen Bahnen, ähnlich den Planeten des Sonnensystems, Elektronen kreisen; jedoch konnte dieses Modell die Stabilität des Atoms nicht erklären. Der erste erfolgreiche Versuch, eine Theorie von der Struktur des Atoms zu schaffen, basierte auf dem Modell von Rutherford und stand in Zusammenhang mit der Einführung der sogenannten Quantenpostulate N. Bohrs (1913). Nach dieser ersten Quantentheorie des Atoms bewegt sich das Elektron ohne Lichtausstrahlung auf einer der„stabilen" Bahnen (die bestimmten diskreten Energiewerten entsprechen); zu einer Ausstrahlung oder Absorption einer bestimmten Energiemenge durch das Atom kommt es nur dann, wenn das Elektron von einer Bahn auf eine andere übergeht.

Durch die weitere Entwicklung der Physik wurden die Vorstellungen von der Struktur des Atoms immer umfangreicher. Von großer Bedeutung war hierbei die Voraussage von L. de Broglie über die Welleneigenschaften der Mikroobjekte sowie die darauf folgende Schaffung der Quantenmechanik durch E. Schrödinger, W. Heisenberg u. a. Nach den heutigen Vorstellungen ist der Atomkern von einer Hülle von Elektronen umgeben, die sich auf verschiedenen, bestimmten Energiewerten entsprechenden Bahnen bewegen und zusammen mit dem Kern ein einheitliches, miteinander verbundenes System bilden.

Im Verlauf der Entwicklung der Physik stellte sich heraus, dass der Atomkern aus „Elementar"teilchen, Nuklonen (Protonen und Neutronen), besteht; es wurde entdeckt, dass das Elektron außer Masse und Ladung, die bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt waren, noch andere Eigenschaften besitzt und sich in andere Teilchen verwandeln kann. Außer dem Elektron wurde eine Reihe neuer, sich durch ihre Eigenschaften voneinander unterscheidender „Elementar"teilchen (Photonen, Protonen, Neutronen, das Neutrino, verschiedene Arten von Mesonen und Hyperonen) entdeckt. Es gelang ebenfalls, Teilchen zu entdecken, bei denen einige Merkmale mit entsprechenden Merkmalen früher bekannter „Elementar"teilchen zusammenfallen, sowie andere Teilchen, die ihnen der Größe nach gleich sind, aber umgekehrtes Vorzeichen besitzen (die sogenannten Antiteilchen).