Khoảng năm thế kỷ trước công nguyên đã có người cho rằng thế giới được cấu tạo bởi những hạt nhỏ bất khả phân chia. Người ta gọi những hạt bất hoại đó là “nguyên tử” dựa trên từ Hy Lạp atomos. Dĩ nhiên, trong thời bấy giờ, ý niệm về nguyên tử chỉ hình thành trong tư tưởng, nó không hề có một cơ sở thực nghiệm nào.
Mười mấy thể kỷ trôi quan, ý niệm về nguyên tử nằm yên trong đầu óc các nhà khoa học. Dù không ai xác nhận hay bác bỏ nó, ý nhiệm về những đơn vị cơ bản làm nền tảng cho thế giới vật chất nghe qua rất dễ tin khi người ta liên tưởng đến một tòa kiến trúc to lớn được xây dựng bằng những viên gạch bé nhỏ hay toàn bộ một ngôn ngữ được hình thành bởi một số những chữ cái nhất định.
Khi Newton khai sinh nền cơ học cổ điển, khi ông lấy một chất điểm bất hoại làm cơ sở, ông đã xem chất điểm đó đại diện cho vật chất có khối lượng. Sự thành công của nền cơ học cổ điển càng làm cho ra dễ liên tưởng rằng, vật chất cuối cùng cũng sẽ do những hạt nhỏ và đặc cứng cấu tạo nên.
Thế nhưng khái niệm nguyên tử như là thành phần nhỏ nhất của vật chất vẫn chưa được khoa học nhắc nhở tới, mãi cho đến đầu thế kỷ thứ 19. Đó là khi một nhà hóa học người Anh tên là John Dalton nêu lên ý niệm về các nguyên tố hóa học cơ bản và về các phản ứng hóa học. Ông cho rằng các nguyên tố hóa học đều do nguyên tử cấu tạo nên; và mọi phản ứng hóa đều do sự liên kết hay tách lìa của nguyên tử mà sinh ra, trong đó các nguyên tử không hề thay hình đổi dạng. Một cấu trúc hóa học chính là sự giao kết của các nguyên tử của những nguyên tố khác nhau trong một tỉ lệ nhất định.
Hai trăm năm đã trôi quan kể từ hình dung đầu tiên đó đến ngày nay nhưng những nhận định của John Dalton vẫn còn giá trị. Quả thực mọi phản ứng hóa học đều là sự hoán chuyển của nguyên tử. Thực tế là hóa học và vật lý cuối cùng đều chỉ là một ngành khoa học duy nhất. Vì những lẽ đó người ta càng thấy vững tin vào ý niệm, nguyên tử phải là cấu trúc cuối cùng của vật chất, hiểu được nguyên tử là hiểu được vật chất. Và nếu có ai khai mở được bí ẩn của nguyên tử, người đó lý giải được thế giới, giải được bài toán của vũ trụ.
Nguyên tử là gì? Chúng phải là những hạt vật chất rất nhỏ và đặc cứng. Năm 1879 nhà khoa học J. Thomson phát hiện bức xạ catod thoát ra từ các phần tử được gọi là “nguyên tử” là một loạt những hạt mang điện tích âm. Ông tính toán được mối quan hệ giữa điện tích và khối lượng của các hạt đó mà ông gọi là electron.Nơi đây Thomson nêu lên một thực tế hoàn toàn mới. Đó là nguyên tử không hề là những hạt đặc cứng mà bản thân nó gồm nhiều phần tử tạo thành. Chưa ai biết các phần tử khác là gì nhưng điều chắc chắn là có một hạt nhỏ tên gọi là electron.
Năm 1888 khoa học phát hiện một số kim loại, khi chúng bị tia cực tím bắn vào thì hiều điện tích âm văng ra. Thomson xác định những điện tích âm đó cũng chính là các electron mà ông biết từ các loại nguyên tử khác. Thế là Thomson đến với một phát hiện cũng quan trọng không kém: nhiều nguyên tử khác nhau có chung một hạt electron như nhau. Sau đó Thomson đưa ra một mô hình về nguyên tử: Nguyên tử có hình cầu, có điện tích dương nhưng được trung hòa bởi các electron nằm trong nguyên tử. Đối với Thomson, electron là “như những hạt nho khô nằm trong một ổ bánh ngọt”. Electron rất nhẹ so với nguyên tử và có thể bị hút ra khỏi nguyên tử bằng một điện trường. Với những phát hiện này Thomson được trao giải Nobel năm 1906.
Năm 1911 một nhà vật lý người Anh là Rutherford đi một bước dài trong việc phát hiện cơ cấu của nguyên tử. Trong thời kỳ đó người ta chỉ mới biết tới electron là một phần tử của nguyên tử và phỏng đoán bản thân nguyên tử là một vật có khối lượng được phân bố đều. Rutherford tìm hiểu cơ cấu nguyên tử bằng cách lấy một tấm giấy đồng rất mỏng với độ dày chỉ khoảng 4 micron tấm giấy ấy. Tia alpha là một phát hiện mới trong thời đó, có đặc tính là khá “nặng” so với các nguyên tử khác và mang điện tích cao. Vì thế ông chờ đợi là tia alpha sẽ dễ dàng đục xuyên qua tấm giấy và có thể bị khuếch tán đôi chút. Kết quả làm ông kinh ngạc. Đó là tia alpha xuyên qua thực nhưng lại có một ít bị bắn ngược trở lại. Các tia dội ngược lại là điều không thể vì các hạt alpha vốn quá nặng và tấm giấy không thể cản được sức “công phá” của tia alpha. Ông thốt lên: “Hầu như không thể tưởng tượng được, cũng như bạn bắn một trái đạn 15 inch vào một tấm giấy lụa và trái đạn dội lại trúng bạn”.
Từ thực tế đó và trên cơ sở số lượng của những tia bị dội lại, bị nghiêng qua một bên và những tia đi thẳng, Rutherford nêu lên một hình dung hoàn toàn mới về nguyên tử: Nguyên tử có một hạt nhân rất bé nhưng chứa gần như tất cả khối lượng và toàn bộ điện tích của nguyên tử. Hạt nhân chính là đối thủ tầm cỡ, đương đầu ngang sức, làm cho những tia alpha dội lại.
Toàn bộ nguyên tử hầu như rỗng không nếu ta nhớ rằng kích thước của nguyên tử gấp khoảng 100.000 lần kích thước hạt nhân. Điều đó có nghĩa nếu nguyên tử to bằng sân bóng đá thì hạt nhân chỉ là một hạt bụi nằm giữa sân. Và các electron cũng là những hạt nhỏ hơn nữa quay vòng nơi chỗ khán giả ngồi xem trận bóng đá.
Thế nên các tia alpha không hề chen lấn mệt nhọc với các nguyên tử như Rutherford tưởng mà chúng thong thả bay trong vườn không nhà trống, qua những khoảng không gian hầu như vô tận. Thính thoảng có tia alpha xui xẻo bị dội vào một vật rất nhỏ nhưng có tỉ trọng cực cao mà ta gọi là nhân nguyên tử, cuối cùng Rutherford nêu lên một mô hình nguyên tử gồm có một hạt nhân mang điện tích dương và nhiều electron mang điện tích âm quay quanh nhân với một bán kính rất lớn. Phần lớn kích thước của nguyên tử là chân không. Chân không - theo quan niệm thời bấy giờ - thì hẳn không có gì để bàn, người ta đi thêm một bước và tập trung xem xét hành tung của electron và của hạt nhân.
Năm 1911, khi Rutherford công bố kết quả nghiên cứu mô hình nguyêntử của mình thì có một sinh viên vừa hoàn thành luận án tiến sĩ vật lý. Đó là một người Đan Mạch, tên là Niels Bohr. Trong năm đó Bohr tìm đến Rutherford và xin cộng tác với ông. Hai năm sau, Bohr công bố ba công trình, nêu lên mô hình mới về nguyên tử. Mô hình này phải là sự tổng hợp hình ảnh của thái dương hệ, trong đó các hành tinh quay quanh mặt trời của mô hình
Rutherford, với phát minh của Max Planck về “bó năng lượng”, với phát hiện của Einstein về “quang tử”.
Theo Bohr, nguyên tử là một cơ cấu gồm hạt nhân nằm giữa với nhiều electron quay tròn xung quanh. Thế nhưng, ý niệm mới của Bohr là các quĩ đạo của electron không hề tùy tiện mà chúng có cấp bậc hẳn hoi, electron chỉ vận hành trong các cấp bậc đó.
Các electron có thể đổi quĩ đạo, chúng “nhảy cóc” từ quĩ đạo này qua quĩ đạo khác và mỗi quĩ đạo tượng trưng cho một mức độ năng lượng nhất định. Khi electron nằm trong quĩ đạo gần hạt nhân nhất, ta gọi đó là “tình trạng cơ bản” của electron, nơi đó nó mang ít năng lượng nhất. Nếu electron hấp thụ một ít năng lượng đủ cho nó nhẩy lên một quĩ đạo cao hơn thì nó đổi quĩ đạo. Năng lượng đó là một “quang tử” photon. Ngược lại khi một electron từ một qũi đạo cao nhảy xuống một quĩ đạo thấp hơn , nguyên tử nhả ra một photon. Mô hình này cho thấy thiên nhiên không hề liên tục trong việc hấp thụ hay phát tán năng lượng mà “nhảy” từng bước nhỏ, điều mà Max Planck đã phát hiện hơn mười năm trước đó.
Với mô hình này, Bohr lý giải thỏa đáng một loạt những hiện tượng vật lý và hóa học mà với mô hình Rutherford người ta không hiểu được. Thí dụ những vạch tròn trong quang phổ của nguyên tử hydrogen, chúng chính là dấu hiệu của photon được nhả ra khi electron nhảy từ quĩ đạo cao xuống tháp. Người ta cũng giải thích các quang phổ của các hiện tượng kim loại khác bằng mô hình của Borh hết sức dễ dàng. Ngay sau khi Bohr công bố thành tựu này, phòng thí nghiệm của Rutherford cũng minh chứng bằng thực nghiệm lý thuyết của Bohr khi đo dộ dài sóng của các quang tuyến X.
Với mô hình của mình, Bohr là người đầu tiên áp dụng thuyết lượng tử để giải thích cơ cấu của nguyên tử. Điều quan trọng nhất nơi đây là tính chất liên tục mà người ta tưởng là tính chất cơ bản của thiên nhiên nay đã bị gạt bỏ. Với Max Planck người ta biết rằng năng lượng không hề phát tán một cách liên tục mà “từng bó”. Với Bohr, các quĩ đạo của electron không hề giống như quĩ đạo của các thiên thề quay quanh mặt trời, mà electron “nhảy” từng “bước lượng tử” từ vòng này qua vòng khác. Nơi đây ra bắt đầu thấy có một nhận thức vô cùng mới mẻ đã xuất hiện, đó là tính liên tục của thiên nhiên bị đặt lại vấn đề. Luận đề này mới nghe thì không có gì to tát nhưng nó
sẽ đưa đường dẫn lối tới những khám phá vô cùng bất ngờ về sau cũng như sinh ra những nhận thức triết học mà cả những thiên tài đi tiên phong như Max Planck hay Einstein cũng choáng ngợp.