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원자 철학은 레우키포스에서 시작되었다고 추정된다(→ 그리스 철학). 그의 제자인 데모크리토스는 BC 430년경에 아토모스라는 물질에 관한 철학을 발전시켰다. 데모크리토스는 원자는 균일하고, 단단하고, 무게 있고, 압축되지 않고, 파괴되지 않으며, 빈 공간에는 수많은 원자가 돌아다니는데, 원자의 형태와 크기의 차이가 물질의 다양한 성질을 결정한다고 생각했다. 데모크리토스의 철학에서 원자는 물질뿐만 아니라 감각이나 인간의 영혼 같은 성질들의 구성요소이기도 하다.

예를 들면 신맛은 바늘처럼 생긴 원자 때문에 나타나는 것이며, 영혼의 원자는 특히 미세하다고 생각되었다. 에피쿠로스는 그리스의 미신적인 공포를 덜어주기 위해서 데모크리토스의 사상을 이용했다. 에피쿠로스의 유물론적 철학에 따르면 우주 전체는 원자와 빈 공간으로만 구성되어 있으며, 심지어는 신도 자연법칙에 종속되어 있었다. 로마의 시인이자 철학자였던 루크레티우스는 원자론을 대중화하기 위해서 〈사물의 본성에 관하여 De rerum natura〉라는 긴 시를 썼는데, 이 시는 15세기에서 다시 발견되었고 프랑스의 신부 피에르 가생디가 발간·대중화하여 17세기에 정통적인 아리스토텔레스식의 관점과 새로운 실험과학 사이에 논쟁을 일으키는 매개역할을 했다.

그후 갈릴레오 갈릴레이는 진공이 존재한다고 말했고, 과학자들은 아리스토텔레스의 정설과 원자론의 우열을 가리기 위해서 공기와 부분진공의 성질을 연구하기 시작했다. 아일랜드 태생 영국의 화학자 로버트 보일은 1658년 공기에 대한 체계적인 연구를 시작하여 1662년에는 공기에 관한 최초의 물리법칙을 발표했는데, 그것은 2개의 변화하는 양, 즉 부피와 압력의 함수관계를 기술하는 것이었다(→ 보일). 이것은 보일의 법칙으로 알려져 있다(→ 보일의 법칙). 공기의 압력에 관한 실험 후 보일은 모든 물질은 단단한 입자로 구성되어 있으며, 이 입자는 물질에 서로 다른 성질을 주는 분자를 형성한다고 썼다. 그는 모든 물체는 하나의 보편물질로 구성되어 있는데, 이 보편물질은 형태·크기·운동 등에서만 차이가 있다고 했다.

18세기말경에 가서야 화학자들은 화학물질의 결합에 대하여 이해하기 시작했다. 1794년에 조세프 루이 프루스트는 일정성분비의 법칙을 발표했는데, 이 법칙의 내용은 화합물의 성분은 항상 같은 비의 무게로 결합한다는 것이었다(→ 프루스트).