1827年英国植物学家布朗首先在显微镜下观察到，水中的小花粉在不停地作不规则的运动。仔细观察，可以发现任何悬浮在液体或气体中的非常小的微粒，都永远处于无休止的没有规则的运动状态之中。这个悬浮的微粒愈小，它的运动就愈激烈；温度愈高，这种运动也愈激烈。后来人们把这种运动叫布朗运动，把像花粉那样的小微粒叫做布朗微粒。布朗运动是永不休止的，它不受外界因素的影响，完全是物布朗运动质内部运动的反映。
布朗运动说明了什么问题呢？原来，这种运动就是由液体的分子运动引起的。由于液体的分子每时每刻都在作不规则的热运动，这些分子撞击布朗微料，就引起了布朗微料的运动。如果悬浮物的颗粒太大，则在每一瞬间撞击到这个大颗粒上的分子数目就太多了，致使这些撞击作用基本上相互抵消了，大颗粒就会保持不动。当悬浮粒小到一定程度时，碰撞到小颗粒上的分子就不那么多，就会从某一个方向出现分子撞击的不平衡，使小颗粒发生运动。布朗颗粒体积愈小，发生撞击的不平衡的可能性愈大，布朗运动就愈急剧。另一方面，温度愈高，分子无规则运动的速度就愈大，分子撞击引起的布朗运动也随之加剧。由于对布朗运动现象的观察和了解，使得人们深入理解了布朗运动的本质。因此证实了分子的存在和分子运动的存在。
我们熟悉的自然界的物质有三态：固态、液态和气态。可以这样理解：固体的分子排列得比较整齐和紧密，分子运动的范围相对来说是很小的；液体分子的排列就自由些和松散些，因此分子运动的范围就比较大些；气体的分子，表现得最自由，它们往往或多或少地独立运动，与其他的分子无所牵连。永无休止的分子的剧烈运动足以说明气体的性质。后来计算出在一秒钟内，气体中的一个分子和其他分子的碰撞次数就达50多亿次。气体分子的运动，就总体来说，它全是不规则的运动。
从19世纪中期，开始了气体分子运动论的研究。这一研究取得了巨大的成功，科学家们根据气体分子运动论确定了原子的质量和直径。各种原子的大小不同，它们只有一亿分之一至一亿分之四厘米。50万个原子只能排满头发丝细的距离，500万个原子排成一行，也只不过是一个小句号的范围里。原子的重量只有一千万亿亿分之一克。一杯水的重量与其中的一个原子的重量相比，约等于地球的重量与其上的一小块砖头的重量之比，可见原子是何等的微小。
显微镜下的原子长期以来，人们并没有用肉眼看见过原子。原子，就是在高倍显微镜下，在近代电子显微镜下也难看见。但是，人们对原子的客观存在不再怀疑。这是为什么呢？因为，发现科学和检验真理的唯一可靠的标准是实践。人类的大量的生产实践，间接地证实了原子的存在，用原子分子学说可以准确无误地解释和指导我们的生产实践。
一直到1970年，才有一位美国科学家报道说，他借助扫描电子显微镜第一次观察到了单个的铀和钍的原子。1978年2月，日本一位科学家宣布，他们用具有超高度分辨能力的电子显微镜拍摄了世界上第一张原子的照片，看到了几种原子的图像。