از همان زمانی که مدل اتمی اولین بار توسط دموکریت در قرن پنجم قبل از میلاد معرفی شد، این مدل دستخوش تغییرات فراوانی شده است. گرچه نظریه‌ی دموکریت بیشتر یک نظریه‌ی فلسفی بود تا علمی. از اولین باری که اتم به عنوان جامدی درونی و نامرئی معرفی شد، تحقیقات مختلف و روش‌های پیشرفته مشخص کرد که اتم‌ها در واقع از ذرات کوچکتری تشکیل شده‌اند که با یکدیگر تعامل الکترو مغناطیسی دارند.
این موضوع مبنای نظریه‌ی اتمی است که توسط فیزیکدان انگلیسی J.J. Thompson در اواخر نوزدهم و اوایل قرن بیستم ارائه شد. تامسون در آن زمان مدلی را ارائه کرد که مبنای چندذره‌ای بودن داشت، که در نوع خودش در آن زمان انقلابی محسوب می‌شد. این مدل به صورت دریایی از بار مثبت یکنواخت توضیف شد که الکترون‌ها در آن پراکنده‌اند. به خاطر ظاهر این مدل، به آن مدل کیک کشمشی یا هندوانه‌ای نیز می‌گویند.
اگرچه این مدل با استانداردهای مدرن سازگار نبود و گنار گذاشته شد اما گام مهمی در توسعه‌ی نظریه‌ی اتمی است. این نظریه نه تنها وجود ذرات جدید مانند الکترون را پیشنهاد داد، بلکه غیرقابل تجزیه بودن اتم را نیز نفی کرد.
آزمایش تامسون
جوزف جان تامسون فیزیکدان انگلیسی و استاد فیزیک دانشگاه کمبریج، در طول دهه‌‌های ۱۸۸۰ و ۱۸۹۰، عمدتاً در زمینه‌ی ایجاد مدل‌های ریاضی برای فرایندهای شیمیایی، تبدیل انرژی در ریاضی و نظریات و الکترومغناطیس تمرکز داشت.
با این حال، در اواخر دهه‌ی ۱۸۹۰، او سری آزمایش‌های خود با استفاده از لوله‌ی پرتو کاتدی کروکس آغاز نمود. تامسون مشاهده کرد که این اشعه‌ها توسط میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی منحرف می‌شوند. بنابراین نتیجه گرفت که این پرتوها از ذرات با بار منفی تشکیل شده‌اند که این ذرات را corpuscle نامید. پس از اندازه گیری نسبت جرم به بار این ذرات، متوجه شد که ۱۰۰۰ بار کوچکتر و ۱۸۰۰ بار سبک‌تر از هیدروژن هستند.
مقاله مرتبط:دستاوردهای عظیم (۳۸): پرتوی کاتدی و لوله‌ی کروکس
این کشف با قاطعیت این نظریه را که هیدروژن کوچکترین ذرات سازنده‌ی ماده است، رد کرد و مشخص شد که اتم‌ها تجزیه‌پذیرند. همانطور که در ابتدا اشاره شد، بعد از این کشف تامسون مدل اتمی خود را که شامل ذرات مثبت و منفی بود ارائه کرد. این ذرات بعدها به افتخار پیش‌بینی جورج استونی در سال ۱۸۷۴، الکترون نامیده شدند.
مشکلات مدل کیک کشمشی
متاسفانه، آزمایش‌های بعدی مشخص کرد که مدل تامسون چندین اشکال علمی دارد. پنج سال بعد، این مدل توسط هانس گایگر و ارنست مارشدن، که مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را با استفاده از ذرات آلفا و فویل طلا انجام دادند، رد شد.
در این آزمایش که با نام آزمایش فویل طلایی شناخته می‌شود، الگوی پراکندگی ذرات آلفا با استفاده از صفحه‌ی فلورسنت اندازه‌گیری شد. اگر مدل تامسون درست بود، ذرات آلفا باید بدون انحراف از فویل عبور می‌کردند. با این حال، تعدادی از این ذرات در مسیرهای متفاوتی پراکنده شدند و حتی برخی از آن‌ها به محل اولیه‌ی خود بازگشتند!
گایگر و مارشدن نتیجه گرفتند که این ذرات با نیروی الکترواستاتیکی بسیار بزرگتر از آنچه که توسط مدل تامسون مجاز بود، مواجه شده‌اند. از آنجا که ذرات آلفا در واقع هسته‌های هلیوم با بار مثبت هستند نتیجه گرفته می‌شود که بار مثبت درون اتم پراکنده نیست بلکه در فضایی بسیار کوچکتر در مقایسه با اتم متمرکز شده است. علاوه بر این، این واقعیت که بیشتر ذرات بدون انحراف عبور کرده‌اند نشان از این دارد که این فضاهای مثبت با فضاهای خالی وسیع از هم جدا شده‌اند.
در سال ۱۹۱۱، ارنست رادرفورد آزمایش Geiger-Marsden را تفسیر و مدل تامسون را رد کرد. در عوض، او مدلی را پیشنهاد کرد که در بیشتر فضای اتم را فضای خالی تشکیل داده و تمام بار مثبت آن در نقطه‌ای بسیار کوچک در مرکز متمرکز شده و ابرهایی از الکترون این هسته‌ی مثبت را احاطه نموده است. این مدل با نام مدل اتمی رادرفورد شناخته می‌شود.
