Jokainen peräkkäinen atomianatomian ja rakentamisen malli perustui edelliseen. Filosofit, teoreetikot, fyysikot ja tutkijat kehittivät asteittain atomiparadigmaa vuosisatojen kuluessa. Useita hypoteettisia malleja ehdotettiin, muutettiin ja lopulta hylättiin tai hyväksyttiin. Monet tutkijat ja ajattelijat tekivät löytöjä ja tekivät kokeita saavuttaakseen tällä hetkellä hyväksytyn atomimallin. Matematiikan ja erikoistuneen tekniikan kehitys vaikutti suuresti atomien luonteen nykyaikaiseen ymmärtämiseen.
Varhaiset pallomallit
Koska atomit ovat liian pieniä nähdäkseen, ensimmäiset teoreettiset mallit olivat henkisiä konstruktioita, jotka perustuivat induktiivisen ja deduktiivisen päättelyn loogisiin menetelmiin. Klassinen kreikkalainen filosofi Democritus ehdotti ensimmäisenä atomien olemassaoloa vuonna 400 eaa. Hän perusteltiin, että ainetta ei voida jakaa loputtomiin ja sen on koostuttava jakamattomista pyöreistä hiukkasista atomeja. Vuonna 1800 John Dalton pääsi samaan näkemykseen atomismista kokeellisella menetelmällä kaasujen ja yhdisteiden tutkimiseen. Hänen teoriaansa kutsuttiin kiinteäksi palloksi tai biljardipallomalliksi.
Luumu vanukas malli
Vuonna 1904 brittiläinen fyysikko J.J. Thompson asetti luumupuuron eli rusinapullon, atomismimallin. Se perustui tietoon äskettäin löydetyistä negatiivisesti varautuneista subatomisista hiukkasista, joita kutsutaan elektroniksi. Thompsonin kokeet katodisädeputkilla saivat hänet teorioimaan pienien hiukkasten olemassaolon atomien sisällä, jotka olivat kaikkien atomien perusosia. Hänen mallinsa näki negatiiviset elektronit tai luumut, jotka ovat suspendoituneet positiivisesti varautuneen kehyksen sisään, tai vanukas.
Kaksi planeetan kiertoradamallia
Vuosina 1910–1911 Ernest Rutherford ehdotti atomin planeettamallia eli ydinmallia. Hän uskoi, että atomit koostuivat enimmäkseen tyhjästä avaruudesta, jossa oli tiheä ydin. Hänen kokeisiinsa liittyi alfa-hiukkasten ampuminen kultakalvolle. Hän totesi, että positiivinen ydin sisältää suurimman osan atomin massasta. Kiertoradamallillaan Niels Bohr tarkensi ajatusta atomista pienenä aurinkokuntana vuonna 1913. Bohrin mallissa elektronit kiertivät ydintä kuorimaisissa kerroksissa.
Elektronipilvimalli
Louis de Broglie ja Erwin Schrodinger kehittivät elektronipilven eli kvanttimekaanisen mallin. He perustivat mallin fysiikan kvanttimekaniikan haaran läpimurtoihin. Kiinteiden kiertoratojen elektronien sijaan pilvimallilla on kiertoradat, jotka määritetään todennäköisyysjakaumalla ytimen ympärille. Havainnasta ja mittauksesta riippuen elektronit voivat olla monissa eri paikoissa, joskus samanaikaisesti.
