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20세기의 위대한 업적중의 하나는 원자설의 정당성을 확립한 것이다.

데모크리토스와 다른 고대인들에 의한 원자설은 물질이 더 이상 분리되지 않는 원자라고 불리는 상대적으로 극히 적은 종류의 동일한 부분으로 구성되어 있다는 것이었다. 하지만 오늘날 원자는 핵과 전자들로 구성되어 있다고 알려져 있다.

원자들이 서로 결합하여 분자를 이루고, 그러한 분자의 구조를 화학과 화학물리학에서 다루고 있다. 원자들은 응집물질 물리학에서 다루는 결정구조를 이루기도 한다. 이런 분야들은 일상적으로 경험할 수 있는 물질의 매우 중요한 성질들을 연구한다. 원자의 구조는 양자역학에 의해서만 이해할 수 있으며 보다 미세한 구조는 양자전기역학을 필요로 한다. 원자의 성질은 주로 간접적 실험결과로부터 추론된다.

가장 중요한 실험방법은 분광학이다. 분광학은 물질로부터 방출되거나 흡수되는 전자기복사를 측정하고 해석한다. 놀라운 것은 전자기복사의 구조가 원리적으로, 때로는 실제로 몇 개의 기본 물리상수를 사용하여 정밀하게 계산할 수 있다는 것이다.