Elk opeenvolgend model voor atomaire anatomie en constructie was gebaseerd op het vorige. Filosofen, theoretici, natuurkundigen en wetenschappers ontwikkelden in de loop van vele eeuwen geleidelijk het atomaire paradigma. Verschillende hypothetische modellen werden voorgesteld, gewijzigd en uiteindelijk verworpen of aanvaard. Veel wetenschappers en denkers deden ontdekkingen en voerden experimenten uit om tot het huidige geaccepteerde atoommodel te komen. De ontwikkeling van wiskunde en gespecialiseerde technologie hebben in hoge mate bijgedragen aan het hedendaagse begrip van de aard van atomen.
Vroege sferische modellen
Omdat atomen te klein zijn om te zien, waren de eerste theoretische modellen intellectuele constructies gebaseerd op de logische methoden van inductief en deductief redeneren. De klassieke Griekse filosoof Democritus was de eerste die het bestaan van atomen voorstelde in 400 voor Christus. Hij redeneerde dat materie niet oneindig kan worden verdeeld en moet bestaan uit ondeelbare ronde deeltjes genaamd atomen. In 1800 kwam John Dalton tot dezelfde visie op atomisme door de experimentele methode te gebruiken om gassen en verbindingen te bestuderen. Zijn theorie werd het massieve bol- of biljartbalmodel genoemd.
Pruimenpuddingmodel
In 1904 de Britse natuurkundige J.J. Thompson poneerde de pruimenpudding, of rozijnenbroodje, het model van atomisme. Het was gebaseerd op kennis van de recent ontdekte negatief geladen subatomaire deeltjes die elektronen worden genoemd. Thompsons experimenten met kathodestraalbuizen brachten hem ertoe te theoretiseren over het bestaan van minuscule deeltjes in atomen die fundamentele onderdelen van alle atomen waren. Zijn model voorzag de negatieve elektronen, of pruimen, opgehangen in een positief geladen raamwerk, of de pudding.
Twee planetaire baanmodellen
Van 1910 tot 1911 stelde Ernest Rutherford het planetaire of nucleaire model van het atoom voor. Hij geloofde dat atomen voornamelijk uit lege ruimte bestonden, met een dichte kern. Zijn experimenten omvatten het schieten van alfadeeltjes op bladgoud. Hij concludeerde dat de positieve kern het grootste deel van de atoommassa bevat. Met zijn baanmodel verfijnde Niels Bohr in 1913 het idee van het atoom als een klein zonnestelsel. Het model van Bohr had elektronen die in een schilachtige laag om de kern cirkelden.
Elektronenwolkmodel
Louis de Broglie en Erwin Schrodinger ontwikkelden het elektronenwolk- of kwantummechanische model. Ze baseerden het model op de doorbraken van de kwantummechanica tak van de natuurkunde. In plaats van elektronen in vaste banen, heeft het wolkenmodel de banen gedefinieerd door een kansverdeling rond de kern. Afhankelijk van hun waarneming en meting, kunnen de elektronen zich op veel verschillende plaatsen bevinden, soms tegelijkertijd.