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人类对组成物质的更小结构的探索可以追溯到古希腊人德谟克利特的“原子论”，德谟克利特认为物质都是由不可分割的“原子”组成的，而原子本身则是毫无空隙的实心微粒。
道尔顿之后的1897年，英国物理学家汤姆生在研究阴极射线时发现每个原子内部都有一个带正电的原子核和若干个电子，这一发现预示着道尔顿模型的破产，因为道尔顿模型里并没有电子的位置。
1904年汤姆生在发现电子的基础上结合以往的实心原子模型，提出了原子葡萄干蛋糕模型，认为电子是平均分配在原子核上的，就像葡萄干布满蛋糕一样，不过汤姆生也认为原子是不存在空隙的实心物质。
为了验证葡萄干蛋糕模型的正确性，汤姆生的学生卢瑟福在1909年进行了α粒子散射实验，用α射线去射击厚度仅几个原子的金箔，令人意外的是绝大部分α粒子都笔直穿过了金箔，少数被反弹的α粒子偏转角也比汤姆生葡萄干蛋糕模型中预测的偏转角要大的多，种种迹象都表面了汤姆生葡萄干蛋糕模型是错误的。
卢瑟福在1911年根据此前的实验结果提出了自己的原子行星模型，该模型认为原子内部绝大部分都是空的，且质量绝大部分都集中在中心微小的原子核中，电子则像地球绕太阳公转一样沿着固定的轨道绕原子核公转。
可以说卢瑟福的原子行星模型第一次确定了原子并非实心物质，是人类了解微观世界的一大进步，但可惜的是卢瑟福的行星模型也是错的，因为核外电子根本没有运行轨道。
1913年，卢瑟福的学生玻尔将量子力学引入了导师卢瑟福的原子行星模型之中，旨在解决为什么经典电磁理论下的行星模型中核外电子损失能量却不坍缩到原子核中的问题。
按照玻尔的观点，新的原子模型呈现能级结构，是由一个占据绝大部分质量的原子核以及会能级跃迁的电子组成的，这一模型完美的解决了氢原子和类氢原子的光谱问题，但该理论却无法应用在其他原子上，因为玻尔并没有将电子完全当成量子来考虑，因此他这个模型其实是一个经典物理和量子力学的混合模型。
1926年量子力学先驱薛定谔以德布罗伊关系式为基础从完全量子化的角度提出了薛定谔方程，进而产生了现带电子云模型，在该模型中核外电子并没有固定运行轨道而是以电子云形式存在的，并且按照不确定性原理我们永远无法获得电子的精确位置。
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