อะตอม  มาจากภาษากรีกว่า “atomos”  ซึ่งแปลว่า “แบ่งแยกอีกไม่ได้” หมายความว่า อะตอม คือ หน่วยย่อยที่เล็กที่สุด ซึ่งไม่สามารถแบ่งให้เล็กลงไปได้อีก แนวความคิดดังกล่าวนี้ได้จากนักปราชญ์ชาวกรีก ชื่อดิโมคริตุส(Demokritos) 

     แบบจำลองอะตอม  คือ มโนภาพที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นจากข้อมูลการทดลอง เพื่ออธิบายลักษณะของอะตอม  แบบจำลองของอะตอมสามารถปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงได้ ถ้ามีผลการทดลองที่ใหม่ ๆ ซึ่งแบบจำลองอะตอมเดิมอธิบายไม่ได้ นักวิทยาศาสตร์จึงเสนอแบบจำลองอะตอมใหม่ ให้สอดคล้องกับผลการทดลอง ดังนั้นจึงพบว่าแบบจำลองอะตอมได้มีการเปลี่ยนแปลงแก้ไขอยู่เรื่อยมา

      นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อ จอห์น ดอลตัน (John Dalton)   ได้พยายามเสนอแนวคิดเกี่ยวกับอะตอม เพื่อใช้ในการอธิบายเกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาเคมีดังกล่าว ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้
      1.  สารแต่ละชนิดประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ เรียกว่าอะตอม  ซึ่งแบ่งแยกไม่ได้
      2.  อะตอมจะทำให้เกิดใหม่หรือสูญหายไปไม่ได้
      3.  อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกันและแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น
      4. สารประกอบเกิดจากการรวมตัวกันของอะตอมของธาตุต่างชนิดกัน ด้วยอัตราส่วนของจำนวนอะตอมคงที่เป็นเลขลงตัวน้อย ๆ

      จากทฤษฎีอะตอมของดอลตัน ได้เสนอแบบจำลองอะตอม  คือ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมและมีขนาดเล็ก และไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก ดังรูป

      การนำไฟฟ้าของก๊าซ ที่ความดันปกติก๊าซจะไม่นำไฟฟ้า  แม้ว่าจะเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าให้มากขึ้น  แสดงว่าก๊าซเป็นฉนวนไฟฟ้า  ความต่างศักย์ที่ใช้ตามบ้านคือ  220  โวลต์  ก๊าซจะไม่นำไฟฟ้า  แต่ในบางโอกาสจะพบว่าก๊าซสามารถนำไฟฟ้าได้  เช่น  การเกิดฟ้าแลบ หรือฟ้าผ่าในขณะที่มีพายุฝนฟ้าคะนอง  จากการศึกษาการนำไฟฟ้าของก๊าซพบว่า  ก๊าซจะนำไฟฟ้าได้ดีขึ้นถ้าความดันของก๊าซต่ำลง  และความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้ามากขึ้น

      หลอดรังสีแคโทด เป็นเครื่องมือที่ใช้ทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้า  ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าศักย์สูงมาก  ประมาณ 10,000 V  และหลอดแก้วบรรจุก๊าซซึ่งมีความดันต่ำ  ปลายข้างหนึ่งของหลอดแก้วจะมีขั้วไฟฟ้า แอโนด (Anode)   อีกปลายหนึ่งจะเป็นขั้วแคโทด (Cathode)  เมื่อต่อไฟฟ้าให้ครบวงจรดังรูป  จะสามารถตรวจสอบการไหลของไฟฟ้า รวมทั้งสามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงในหลอดรังสีแคโทดได้โดยพบว่า แก๊สสามารถนำไฟฟ้าได้ที่ความดันต่ำ และความต่างศักย์สูง โดยจะปรากฏรังสีพุ่งจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด จึงเรียกรังสีที่เกิดว่า รังสีแคโทด 

การค้นพบโปรตอน 
      ออยเกน  โกลด์สไตน์ (Eugen  Goldstein)  นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดเล็กน้อย ดังในรูปด้านล่าง

      เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอด พบว่าเกิดจุดสว่างเกิดขึ้นบนฉากเรืองแสงทั้งสองข้าง และเมื่อนำสนามไฟฟ้าขนาดเล็กไปวางคร่อม ไว้บริเวณรังสีที่อยู่ระหว่างขั้วแคโทดกับฉากเรืองแสงพบว่า รังสีเบนเข้าหาขั้วลบ โกลด์ชไตน์จึงสรุปว่ารังสี  ที่ค้นพบต้องมีสมบัติเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก  จากการทดลองหลายครั้ง ๆ โดยการเปลี่ยนชนิดของก๊าซในหลอดแก้ว  ปรากฏว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเหล่านี้มีอัตราส่วน ของประจุ ต่อมวลไม่เท่ากัน  ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่ใช้  และเมื่อทดลองโดยเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าหลาย ๆ ชนิด  แต่ใช้ก๊าซในหลอด แก้วชนิดเดียวกัน  ปรากฏว่าผลการทดลองได้อัตราส่วนของประจุต่อมวลเท่ากัน จากการทดลองสรุปได้ว่า อนุภาคที่มีประจุบวกในหลอดรังสีแคโทดเกิดจากก๊าซเท่านั้น ไม่ได้เกิดจากขั้วโลหะ ก๊าซไฮโดรเจนจะได้อนุภาคบวกที่มีประจุเท่ากับประจุลบ เรียกอนุภาคบวกที่เกิดจากก๊าซไฮโดรเจนนี้ว่าโปรตอน

การค้นพบอิเล็กตรอน 
      ในปี พ.ศ. 2440 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อเซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (Sir Joseph John Thomson)  ได้นำหลอดรังสีแคโทดมาดัดแปลง โดยการเจาะรูที่ขั้วแอโนดและนำฉากแสงไปวางไว้ด้านหลังขั้วแอโนด ดังรูป

      ทอมสันพบว่า รังสีพุ่งจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนดและทะลุรูที่เจาะไว้ ไปกระทบฉากเรืองแสงที่จุดกึ่งกลางของฉากเรืองแสง ทอมสันได้เพิ่มขั้วไฟฟ้า 2 ขั้วเข้าไปที่หลอดรังสีแคโทด คือ ขั้วบวก  และขั้วลบ  ขั้วนี้ตั้งฉากกับทิศทางของรังสี  พบว่ารังสีแคโทดเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้าขนาดเล็ก  ทอมสันจึงสรุปว่า รังสีแคโทดมีสมบัติเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า  ลบ

      ทอมสันยังได้คำนวณหาค่าประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคได้ค่าเท่ากับ 1.7  X  108  คูลอมบ์/กรัม จากนั้นเขาได้ทำการเปลี่ยนแก๊สในหลอดและโลหะที่ใช้ทำขั้วแคโทดพบว่า ค่าประจุต่อมวลยังคงที่ทุกครั้งจากผลการทดลอง ทำให้ทอมสันสรุปว่า อะตอมของสารทุกชนิดจะต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ และเรียกอนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน (Electron)  จากผลการทดลองที่ผ่านมา ทั้งของทอมสันและโกลด์สไตน์  ทำให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น  ทอมสันจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมดังนี้

      “อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุบวก และอนุภาคอิเล็กตรอน ซึ่งมีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอในอะตอม อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับประจุลบ”

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

การหาค่าประจุของอิเล็กตรอน 
      ใน พ.ศ. 2451 โรเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน (Robert  Andrews  Millikan) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกาได้ทำการทดลองหาค่าประจุของอิเล็กตรอน โดยใช้การทดลองที่เรียกว่า “Oil drop  experiment” มิลลิแกนได้ทำการทดลองเพื่อหาค่าประจุของอิเล็กตรอน โดยพ่นน้ำมันเป็นละอองเม็ดเล็ก ๆ ให้ตกลงมาระหว่างแผ่นโลหะ 2 แผ่น แล้วใช้รังสีเอกซ์ไปดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของแก๊สในอากาศ แล้วให้อิเล็กตรอนไปเกาะหยดน้ำมันพบว่า แต่ละหยดน้ำมันมีอิเล็กตรอนมาเกาะจำนวนไม่เท่ากัน นั่นคือ หยดน้ำมันบางหยดมีอิเล็กตรอนเกาะติดเพียงตัวเดียว บางหยดก็มีมากกว่า 1 ตัว โดยหยดน้ำมันจะตกลงมาตามแรงโน้มถ่วงของโลก จากนั้นให้กระแสไฟฟ้าเข้าไปในแผ่นประจุบวกและลบ แผ่นประจุลบซึ่งอยู่ด้านล่างผลักหยดน้ำมันที่มีอิเล็กตรอนมาเกาะจนหยุดนิ่ง ซึ่งดูได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ (Microscope) แสดงว่า แรงโน้มถ่วงของโลกเท่ากับแรงจากสนามไฟฟ้า แล้วคำนวณหาค่าประจุ

      จากการทดลองพบว่า ประจุที่อยู่บนหยดน้ำมันนั้นมีค่าเท่ากับ 1.60 x 10^-19  คูลอมบ์ หรือเป็นจำนวนเท่าของ 1.60 x 10^-19 คูลอมบ์  เช่น  2 x 1.60 x 10^-19 ,  3 x 1.60 x 10^-19 คูลอมบ์  เป็นต้น  แสดงว่าจำนวนประจุที่อยู่บนหยดน้ำมันที่มีค่าน้อยที่สุดคือ 1.60 x 10^-19 คูลอมบ์  จำนวนประจุอื่น ๆ จะเป็นจำนวนเท่าของ  1.60 x 10^-19  ดังนั้นค่าของประจุ  1.60 x 10^-19  คูลอมบ์ จึงเป็นค่าประจุของอิเล็กตรอน 1 ตัว  กล่าวคือ
      ถ้ามีอิเล็กตรอน  1  ตัว  เกาะบนหยดน้ำมัน  จะได้ประจุ  =  1.60 x 10^-19 คูลอมบ์ 
      ถ้ามีอิเล็กตรอน  2  ตัว  เกาะบนหยดน้ำมัน  จะได้ประจุ  =  2 x 1.60 x 10^-19  คูลอมบ์ 
      ถ้ามีอิเล็กตรอน  3  ตัว  เกาะบนหยดน้ำมัน  จะได้ประจุ  =  3 x 1.60 x 10^-19 คูลอมบ์ 
      ดังนั้น จากการทดลองของมิลลิแกนได้ประจุของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 1.60 x 10^-19 คูลอมบ์

การคำนวณหามวลของอิเล็กตรอน 

      จากการทดลองของทอมสันได้ค้าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน  คือ
            =  1.7 x 10⁸  คูลอมบ์/กรัม

      จากการทดลองของมิลลิแกน
            ได้ค่าประจุของอิเล็กตรอน (e)  =  1.60 x 10^-19 คูลอมบ์ 
            เพราะฉะนั้นหามวลของอิเล็กตรอนได้ m  =  9.41  x  10^-28  กรัม

      ในปี พ.ศ. 2454 รัทเทอร์ฟอร์ด ได้ทำการทดลองในประเภทอังกฤษร่วมกับ ฮันส์  ไกเกอร์ และเออร์เนส์ มาร์สเดน ศึกษาทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟา เมื่อยิงอนุภาคแอลฟา ซึ่งได้จากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี เข้าไปที่แผ่นทองคำบางๆ

     การตรวจสอบทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟาหลังจากกระทบแผ่นทองคำแล้ว ทำได้โดยใช้ฉากเรืองแสงขดเป็นวงกลมล้อมรอบแผ่นทองคำไว้  โดยเว้นที่เฉพาะบริเวณที่จะให้อนุภาคแอลฟาผ่านเข้ามาเท่านั้น ทุก ๆ ครั้งที่อนุภาคแอลฟากระทบฉากเรืองแสงจะพบว่า มีจุดสว่างเกิดขึ้นที่ฉากเรืองแสงนั้น (อนุภาคแอลฟาคือ นิวเคลียสของธาตุฮีเลียม ซึ่งประจุบวก ดังนั้นเมื่อกระทบฉากเรืองแสงจึงมีจุดสว่างเกิดขึ้น ทำให้ทราบทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟา) จากการทดลองพบว่าอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่จะวิ่งเป็นแนวเส้นตรง ผ่านแผ่นทองคำไปกระทบฉากเรืองแสง ซึ่งก็คือบริเวณจุดที่อยู่หลังแผ่นทองคำในรูป บางส่วนจะเบี่ยงเบนไปจากแนวเส้นตรง  คือบริเวณของฉากเรืองแสง  และมีน้อยครั้งมากที่อนุภาคสะท้อนกลับมากระทบฉากเรืองแสงที่จุดซึ่งอยู่หน้าแผ่นทองคำ

      จากการทดลองทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดสรุปว่า “อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลางนิวเคลียส มีขนาดเล็ก  แต่มีมวลมาก และมีประจุบวก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ วิ่งอยู่รอบๆ นิวเคลียส” ดังรูป

การค้นพบนิวตรอน 
      ในปี  พ.ศ.  2475  เจมส์  แซดวิก (James Chadwick) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังอะตอมของเบริลเลียม  และธาตุชนิดต่าง ๆ โดยใช้เครื่องมือที่ละเอียดถูกต้องยิ่งขึ้น  และพิสูจน์ได้ว่าภายในนิวเคลียสจะมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าอยู่ด้วย และเรียกอนุภาคนั้นว่า  นิวตรอน