德谟克利特给原子起的名字来自希腊语中的“不可分割之物”，当时他认为，这些微粒代表了物质可分割的最小单元，换句话说，原子是组成所有物质的最小、最简单的结构组件。几千年后，“原子”这个古老的哲学概念得到了科学的支持，基于我们观察到的大量证据，原子不可分割的信念越来越根深蒂固，人们想当然地认为，不同元素的原子性质之所以各不相同，是因为它们的几何形状有所差异。比如说，他们认为氢原子的形状近似球体，而钠原子和钾原子就像拉长的椭圆。
从另一方面来说，在人们的想象中，氧原子看起来就像甜甜圈，中间有个近乎封闭的洞，所以将两个球状的氢原子一上一下同时填入氧原子中间的洞里，我们就得到了水分子（HO）。钠原子和钾原子之所以能够轻而易举地取代水分子中的氢原子，是因为比起球状的氢原子来，这两种长椭球形的原子更契合氧原子甜甜圈中间的洞。
从这个角度来看，不同元素之所以会释放不同的光谱，是因为不同形状的原子有不同的振动频率。于是物理学家试图通过元素释放的光谱倒推出不同原子的形状，但没有成功，这和我们从声学角度解释小提琴、教堂钟和萨克斯管音色的区别如出一辙。
但是以不同原子的几何形状为基础解释其化学和物理特性的努力全都收效甚微，直到人们认识到，原子并不是几何形状各不相同的基本粒子，恰恰相反，它是由大量独立运动部件组成的相当复杂的装置，我们才真正迈出了理解原子特性的第一步。
解剖精致的原子是一项复杂的手术，首次完成这一壮举的是著名的英国物理学家J.J.汤姆孙（），他成功证明了各种化学元素的原子由带正电和负电的部件组成，电磁力将这些部件结合在一起。按照汤姆孙的设想，原子其实是一团均匀的正电荷，大量带负电的粒子漂飘浮其中。负电粒子（汤姆孙将之命名为“电子”）携带的负电荷等于包裹它的正电荷，所以原子整体呈电中性。不过，由于电子与原子的结合相对比较松散，所以偶尔会有一个或者几个电子散逸出去，留下一个带正电的不完整的原子，也就是正离子。从另一方面来说，有时候原子又会从外部额外获取几个电子，于是它就得到多余的负电荷，变成了负离子。原子得到多余正电荷或负电荷的过程被称为离子化。汤姆孙的观点基于迈克尔·法拉第（MichaelFaraday）的经典著作，后者证明了原子携带的电量必然等于一个基本量的倍数，这个基本电量单位的值是5.77×1010。但比起法拉第来，汤姆孙又向前走了一大步，他提出原子电量之所以总是成倍变化，是因为这些电荷实际上是独立的微粒；除此以外，他还找到了从原子中分离电子的方法，甚至开始研究空间中高速飞行的自由电子束。
汤姆孙研究自由电子束的一大成果是估测电子的质量。他利用强电场从灼热电线之类的材料中分离出一束电子，然后让它穿过两片带电电容板之间的空间。由于这束电子携带负电荷——或者更准确地说，它本身就是负电荷——所以它会被电容正极吸引，同时被负极排斥。
如果在电容后面放一块荧光屏，我们很容易就能观察到电子束的偏转。知道了单个电子的电量和它在特定电场中的偏转程度，就能估算出电子的质量，于是我们发现，电子真的很轻。事实上，汤姆孙发现，单个电子的质量只有氢原子质量的1/1840，这意味着原子质量主要来自带正电的组件。
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