關于人類早期對物質結構的認識，綜合起來大致可分為兩種不同的論點：一種認為，世界上的一切都是由上帝創造的；另一種認為，萬物皆由某些最基本的物質要素所組成。我國古代思想家曾提出“五行說”，用以說明世界萬物的起源。在古希臘時代，也曾流行過類似的學說。如亞里士多德就曾認為，土、氣、火和水是組成物質世界的基本要素，它們分別代表干、冷、熱和濕四種不同的物質屬性。

    然而，在所有認為世界是由物質構成的學說中，影響最大的要算由德謨克利特首先提出的“原子說”，他的老師留基伯也是這個學說的創始人之一。他們都認為萬物皆由大量不可分割的微小物質粒子組成，這種粒子被稱為原子(希臘文“不可分割”之意)。

    于此同時，德謨克利特還認為“原子”具有不同的性質。這就是說，在大自然中能夠同時存在各種各樣的原子。有些原子很輕，能自由地向各處滲透，而彼此間相距又很遠，空氣和其它各種氣體就是由這類輕原子所組成的。相比之下，液體中的原子要重一些，它們雖然相互粘連在一起，但仍能流動，故液體具有體積不變而形狀可任意改變的特性。至于固體中的原子，一定是更大、更重的。它們相互結合得更緊密，同圓潤而又光滑的液體原子相比，固體原子表面想必是粗糙不平的，因此團體原子間能互相鉤牢而不能自由轉動，結果形狀和體積都可保持不變。

    由此可知，早期的原子說雖粗淺，但仍能像現在一樣，可用來解釋固體、液體和氣體的某些物理現象。

    到了十七世紀，由于科學技術的發展，各種發明和發現紛至沓來，從而加深了人們對客觀世界的認識。人們開始不僅限于用頭腦思考提出各種概念，而是力求用實驗來驗證對自然現象所作的種種假說。

    1661年，英國化學家波義耳指出：“組成復雜物體的最簡單物質，或在分解復雜物體時所能得到的最簡單物質，就是元素”。在這里，被波義耳所采用的“元素”這個詞的含義和我們今天的理解是相同的，即物質可由各種元素組成，它是用一般化學方法不能再行分解的最簡單的物質。一定的化學元素，就有一定的性質。自然界中各種物體，不論是動物、植物和礦物，還是氣體、液體和固體都是由各種元素所構成的，例如金和銀，氧和氫就都是元素。

    當時波義耳雖認為元素可有很多種，但確切的數字還是不知道的。后來，化學家們又找到了許多種新的元素，至今我們已經知道自然界中存在90種天然元素；到1976年8月止，在實驗室中由人工制造的不穩定元素已達17種；這樣，總共就有了107種元素。

    1808年后，另一位英國化學家道爾頓不但進一步發展了波義耳的元素概念，而且把德謨克利特的原子概念也更加具體化了。在研究總結了化學變化的許多重要規律的基礎上，他與意大利化學家阿伏加德羅提出了“原子分子學說”。

    道爾頓曾構思了各種原子符號，當時他認為各種元素、單質都是由原子微粒所組成。同種元素的原子都是相同的，反之則不同。另外，他又設想，在物質起變化時，一種原子可和其它原子結合。例如，木材燃燒時，一個碳原子和兩個氧原子結合成二氧化碳。當時把這種不同原子的結合稱為“復合原子”。

    而阿伏加德羅又把這種“復合原子”稱作“分子”。他認為分子是組成物質的最小單元，而每個單元又能嚴格地保持和物質大量存在時所具有的相同性質。根據這個概念，人們就能方便地區分什么是原子？什么是分子？此外，他也確認原子是組成元素的最小顆粒，當不同元素的原子相互化合成化合物時就形成了分子。例如，氧氣和氫氣是由許多氧分子和氫分子所組成，而氧分子氫分子又分別由氧原子和氫原子組成，人們日常生活中所不可缺少的水，就是由兩個氫原子和一個氧原子結合成水分子所組成的，這就是所謂的“原子分子學說”。

    總之，到了十九世紀中葉，人們已經知道了五十五種元素。有關原子、元素和分子的概念和學說也已被人們普遍接受，這就為核科學的發展奠定了堅實的基礎。