原子结构的发现是人类探索微观世界过程中的一项重要成就。
1897年，英国卡文迪什实验室主任汤姆逊在研究阴极射线时发现，在所有元素的原子内部都存在一种质量更小的带电微粒，这种微粒是构成一切化学元素的物质。后来人们将这种微粒称为电子。
科学家本来是想寻找原子，结果却先发现了电子。那么，电子是如何待在原子里的呢？除电子外原子中还有什么？原子中究竟什么东西带正电荷？原子的结构究竟是什么样的？
旧的问题还没有解决，一大堆新问题又摆在人们面前。为此，物理学家发挥了自己丰富的想象力，提出了行星结构模型、实心带电球模型、葡萄干蛋糕模型、土星模型、磁原子模型等十多种不同的原子模型。
例如，汤姆逊认为，原子是一个均匀的带正电荷的球体，里面飘浮着许多电子。电子所带的电荷正好和球体所带的正电荷相等，所以整个原子是中性的。如果失掉了几个电子，这个原子的正电荷就过多了，成为阳离子；如果多了几个电子，整个原子的阴电荷就过多了，成为阴离子。后人将汤姆逊的原子模型比作“葡萄干蛋糕”，意为原子中的电子好像蛋糕里的葡萄干。
英国科学家卢瑟福是汤姆逊的学生，他根据自己利用α粒子轰击金箔的实验结果，提出原子内部存在一个很小的、带有正电荷的核，由于核与整个原子相比非常小，所以大部分α粒子穿过原子中的空档，不受核的正电荷斥力的影响，只有极少数接近核的α粒子受到斥力作用而偏转，极个别的α粒子差不多正对着核撞去，在斥力的作用下被反弹了回来。
他通过理论计算证明，金原子核的直径大约只有6×10-14m。原子核的体积虽然很小，但整个原子的质量几乎全部集中在它上面。原子的质量越大，原子核带的正电荷就越多，外围的电子数目也就越多。后人将卢瑟福的原子模型称为“太阳系模型”，意为如同行星依靠引力围绕太阳运行一样，原子核外面的电子依靠异性电荷的吸引力，围绕着带正电荷的原子核快速地旋转。
不过，也有一些科学家对此提出了批评意见，认为电子在做绕核运动的时候会因释放电磁波而消耗能量。因此，绕着原子核旋转的电子由于能量逐渐减小，最后就会掉到原子核上。后来，丹麦科学家玻尔对卢瑟福的原子模型作了改进。他利用当时新发展起来的量子论，指出电子在原子核外面只能按着一定的轨道运动，此时是不会释放出能量的；只有受到外界能量的激发，发生轨道变迁时才会释放出电磁波。他还提出了原子核外电子排列的规律，这就是有名的玻尔模型。新的原子模型由于论据充分，令人信服，很快就被科学界广泛接受了。