Mô hình sơ khai
Democritus là người đầu tiên đưa ra khái niệm nguyên tử
Mô hình nguyên tử là một nội dung của lý thuyết nguyên tử, nó phát biểu rằng nguyên tử được tạo thành từ các phần tử nhỏ hơn được gọi là các hạt hạ nguyên tử. Khái niệm nguyên tử được Democritus đưa ra từ khoảng 450 TCN. Tuy nhiên, các nhà khoa học cổ Hy Lạp không dựa trên các phương pháp thực nghiệm để xây dựng các lý thuyết mà dựa trên siêu hình học. Chính vì thế mà từ khi Democritus đưa ra khái niệm đó cho đến tận thế kỷ thứ 18 thì người ta mới có những bước tiến bộ đáng kể trong việc phát triển lý thuyết về nguyên tử. Trong hoá học, dựa trên định luật bảo toàn khối lượng và định luật tỉ lệ các chất trong các phản ứng hoá học, vào năm 1808, John Dalton (1766-1844) đã đưa ra lý thuyết nguyên tử của mình để giải thích các định luật trên. Lý thuyết của ông dựa trên năm giả thuyết. Giả thuyết thứ nhất phát biểu rằng tất cả vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tử. Giả thuyết thứ hai là các nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ có cùng một cấu trúc và tính chất. Giả thuyết thứ ba là các nguyên tử không thể bị phân chia, không thể được sinh ra hoặc mất đi. Giả thuyết thứ tư là các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau kết hợp với nhau để tạo ra các hợp chất. Giả thuyết thứ năm là trong các phản ứng hoá học, các nguyên tử có thể kết hợp, phân tách hoặc tái sắp xếp lại. Lý thuyết của Dalton không chỉ giải thích các định luật trên mà còn là cơ sở để xây dựng các lý thuyết khác về nguyên tử sau này.
Cả Democritus và John Dalton đều cho rằng nguyên tử không có cấu trúc, tức là nguyên tử không được tạo thành từ các phần tử nhỏ hơn, chính vì thế người ta thường gọi các mô hình đó là mô hình sơ khai về nguyên tử. Cùng với sự phát triển của khoa học, các giả thuyết của John Dalton được xem xét lại và người ta thấy rằng không phải nguyên tử là hạt không có cấu trúc mà ngay cả nguyên tử của cùng một nguyên tố cũng có thể có tính chất khác nhau. Vào đầu thế kỷ thứ 20, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng, nguyên tử được tạo thành từ ba loại hạt hạ nguyên tử, được gọi là proton, neutron và điện tử (electron). Proton và neutron nằm ở trung tâm nguyên tử và tạo nên hạt nhân của nguyên tử và điện tử chiếm khoảng không gian xung quanh hạt nhân đó. Số hạt hạ nguyên tử và sự sắp xếp của các hạt đó trong nguyên tử sẽ xác định tính chất hoá học của nguyên tố. Nguyên tử của cùng loại nguyên tố có thể có số neutron khác nhau (được gọi là các đồng vị) và số điện tử khác nhau (được gọi là ion). Số proton là yếu tố quyết định tính chất hoá học của nguyên tố.
[sửa] Việc tìm ra điện tử
Điện tử là hạt hạ nguyên tử đầu tiên được tìm ra dựa vào tính chất điện của vật chất. Vào cuối thập kỷ đầu tiên của thế kỷ thứ 19, người ta đã nghiên cứu ống chùm ca-tốt (cathode ray tube). Ống chùm ca-tốt là một ống thuỷ tinh, bên trong có chứa khí có áp suất thấp, một đầu của ống là cực dương, và đầu kia là cực âm. Hai cực đó được nối với một nguồn có điện thế khác nhau, nguồn này tạo ra một dòng hạt có thể đi qua khí bên trong ống. Người ta giả thiết rằng có một chùm hạt phát ra từ cực dương đi về phía cực âm và làm cho ống phát sáng. Chùm đó được gọi là chùm ca-tốt. Khi đặt một vật chướng ngại nhẹ trong ống thì vật đó bị di chuyển từ cực dương về cực âm, người ta kết luận hạt đó có khối lượng. Khi đặt một từ trường vào thì dòng hạt bị dịch chuyển, người ta kết luận hạt đó có điện tích.
Năm 1897, nhà vật lý người Anh Joseph John Thomson (1856-1940) đã kiểm chứng hiện tượng này bằng rất nhiều thí nghiệm khác nhau, ông đã đo được tỷ số giữa khối lượng của hạt và điện tích của nó bằng độ lệch hướng của chùm tia trong các từ trường và điện trường khác nhau. Thomson dùng rất nhiều các kim loại khác nhau làm cực dương và cực âm đồng thời thay đổi nhiều loại khí trong ống. Ông thấy rằng độ lệch của chùm tia có thể tiên đoán bằng công thức toán học. Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượng là một hằng số không phụ thuộc vào việc ông dùng vật liệu gì. Ông kết luận rằng tất cả các chùm ca-tốt đều được tạo thành từ một loại hạt mà sau này nhà vật lý người Ái Nhĩ Lan George Johnstone Stoney đặt tên là "electron", vào năm 1891.
Năm 1909, nhà vật lý