A procura da substância primordial, do elemento comum, da matéria prima que compõe o Universo, começou há mais de 25 séculos com os gregos. O filósofo Tales de Mileto (624-546 a.C.) afirmava que o elemento primordial do Universo era a água, "sobre a qual a Terra flutua e é o começo de todas as coisas". Já para o filósofo Anaxímenes de Mileto (570-500 a.C.) seria o ar o tal elemento primordial de vez que o mesmo se reduziria à água por simples compressão. No entanto para Xenófones da Jônia (570-460 a.C.) era a terra a matéria prima do Universo. Por sua vez, o também filósofo Heráclito de Éfaso (540-480 a.C.) propôs ser o fogo essa matéria.
Após 546 a.C., surge um novo movimento filosófico que tenta explicar a matéria não só constituída como um elemento único num sentido "macroscópico", mas como uma porção também única, subdividida "microscopicamente". Foi assim que Leucipo de Mileto (460-380 a.C.) apresentou uma visão segundo a qual todas as coisas no Universo são formadas por um único tipo de partícula - o átomo (indivisível, em grego) -, eterno e imperecível que se movimentava no vazio. Entretanto, para explicar as diversas propriedades das substâncias, admitiam que os átomos diferiam geometricamente por sua forma e posição, e que, por serem infinitamente pequenos, só poderiam ser percebidos pela razão.
As concepções una e/ou plural sobre o Universo continuaram a ser defendidas e divulgadas pelos cientistas ao longo dos séculos, chegando até a Idade Média e a Renascença. Por exemplo, o astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) em seu livro Das revoluções dos Corpos Celestes, falou da corporeidade dos átomos. Também atomista foi o físico e astrônomo italiano Galileu Galilei (1564-1642), já que em seu O Ensaiador, considerava que os átomos ígneos (do calor) eram menos rápidos e, portanto, menos penetrantes do que os átomos luminosos (da luz).
A idéia de que o átomo era uma parte real, porém invisível e indivisível da matéria, parece haver sido proposta pelo filósofo e matemático francês Pierre Gassendi (1592-1655), ao fazer pela primeira vez a distinção entre átomo e molécula, uma vez que para ele em cada corpo os átomos se reúnem em pequenos grupos, aos quais denominou moléculas, que é o diminutivo da palavra latina 'moles', que significa massa ou quantidade de matéria.
O atomismo real defendido por Gassendi, na França, logo foi aceito e divulgado na Inglaterra. Assim é que, o físico e químico inglês Robert Boyle (1627-1691) e seu assistente, o físico inglês Robert Hooke (1635-1703) tornaram claro seu apoio às teorias atômicas para explicar as substâncias materiais. Por exemplo, Boyle em seu célebre livro O químico cético, apresentou sua idéia na qual os corpos eram constituídos por elementos que, para ele eram assim definidos: "...que entendo por elementos são certos corpos primitivos e simples, perfeitamente sem mistura, os quais não sendo formados de quaisquer outros certos corpos, nem um dos outros, são os ingredientes dos quais todos os corpos perfeitamente misturados são feitos, e nos quais podem finalmente ser analisados..." No entanto, o elemento boyleano não era o elemento químico que conhecemos hoje, uma vez para ele a água (H2O) era um elemento quase puro, enquanto que o ouro (Au), cobre (Cu), mercúrio (Hg) e enxofre (S) eram compostos químicos ou misturas. Um outro inglês a defender e a expor as idéias atomísticas, foi o físico e matemático Isaac Newton (1642-1727) em seu livro Óptica.
Na tentativa de se aperfeiçoar o elemento químico boyleano, surgiram trabalhos como os de Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), que elaborou a primeira tabela contendo cerca de 30 elementos, apresentado no seu Tratado Elementar de Química.
Muito embora a idéia de elemento químico considerasse o átomo como uma partícula indivisível, porém real da matéria, o atomismo científico só começou no início do século XIX com os trabalhos dos químicos, o inglês John Dalton (1766-1844), o francês Joseph-Louis Gay-Lussac (1776-1856) e o italiano Amedeo Avogadro (17776-1856), através dos quais se procurou calcular as massas dos átomos e relacionar seus volumes. Em seu livro Novo sistema de Filosofia Química, Dalton enfatizou que na Natureza existem átomos invisíveis e imutáveis. E mais ainda, que todos os átomos de um mesmo elemento são idênticos, e que vários átomos se podem reunir para formar um "átomo composto". É nesse livro que Dalton apresenta a famosa Lei das Proporções Múltiplas: "Se dois elementos A e B formarem mais de um composto, as massas de A que se combinam com a mesma massa B, nos diferentes compostos, devem ter números inteiros como razões entre elas". As experiências realizadas por Gay-Lussac com gases sob pressão e temperaturas constantes, levaram-no a descobrir uma importante lei, a chamada Lei dos Volumes: "Se os gases A e B se combinam para formar um composto C, os três volumes relativos podem ser representados por números inteiros". Contudo essa lei apresentava uma aparente contradição, qual seja, a de que, os gases ao se combinarem, parece algumas vezes, que ocupam menos espaço. Essa questão só foi entendida quando Avogadro observou que átomos podem se reunir para formar moléculas. Assim, dois volumes da molécula de hidrogênio, formada por dois átomos de hidrogênio (H+H=H2), combinados com um volume da molécula de oxigênio (O+O=O2), formavam dois volumes da molécula de água, isto é: 2H2 + O2 = 2H2O. Em vista disto, Avogadro enunciou a sua famosa Lei de Avogadro: "Sob as mesmas condições de temperatura e pressão, volumes iguais de todos os átomos contém o mesmo número de moléculas."
Quanto a indivisibilidade do átomo, parece haver sido o físico francês André-Marie Ampére (1775-1836) o primeiro a propor, que o átomo era constituído de partículas subatômicas, na tentativa de explicar o elemento boyleano. Mais tarde, o físico alemão Gustav Theodor Fechner (1801-1887) propôs o modelo de que o átomo consistia de uma parte central massiva que atraia gravitacionalmente uma nuvem de partículas quase imponderáveis. No entanto, as experiências realizadas sobre fenômenos eletromagnéticos, realizadas a partir do trabalho do físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) e do próprio Ampére sobre cargas elétricas circulando em fios condutores, fizeram com que os cientistas cada vez mais ficassem convencidos de que o átomo possuía constituintes portadores de carga elétrica. Desse modo, o físico alemão Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) propôs que no modelo de Fechner, as partículas imponderáveis, que envolviam a parte central do átomo, eram partículas eletrizadas atraídas por esse "núcleo", naturalmente, por uma força elétrica.
A primeira evidência experimental sobre a estrutura do átomo foi verificada pelo físico e químico inglês Michel Faraday (1791-1867) ao descobrir o fenômeno da eletrólise, isto é, a ação química da eletricidade. Em sua experiência, Faraday observou que a passagem da corrente elétrica através de soluções químicas, por exemplo nitrato de prata, fazia com que os metais de tais soluções se depositassem nas barras metálicas (eletrodos: catodo e anodo) introduzidas nessas soluções. Essa evidência sobre a estrutura atômica foi corroborada com a teoria iônica desenvolvida pelo químico sueco Svante August Arrhenius (1859-1903), segundo a qual os íons que constituíam a corrente elétrica através da solução, no fenômeno da eletrólise, nada mais eram que átomos carregados de eletricidade.
Portanto, aquela antiga substância primordial, indivisível para os gregos na Antigüidade, se apresenta, no século XIX, divisível e dotada de cargas elétricas. Muito mais se fez no estudo do átomo como veremos a seguir, procurando estudar as partículas elementares que o constitui. Nosso próximo passo se dá em direção a descoberta do elétron, do próton e do nêutron.
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