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원자론의 역사는 철학적 시기와 과학적 시기로 구별되며 그 사이에 과도기(17~19세기)가 있다.

그리스 철학까지 거슬러올라가는 철학적 원자론은 구체적 현상에 대한 세밀한 설명이 아니라 그 현상의 기본적이고 일반적인 측면들에 관심을 기울인다. 예를 들면 자연에서는 계속적인 변화가 일어나는데 이러한 변화는 도대체 어떤 방식으로 설명될 수 있는가? 철학적 원자론은 이러한 물음에 하나의 일반적 해답을 제시했다고 볼 수 있다.

철학적 원자론은 변화와 다양한 현상의 가능성을 설명하는 일반적인 문제에만 관심을 기울인 것은 아니며, 구체적인 현상에 대해서도 상세히 설명하려 했다. 그러나 이것은 현대적인 의미에서의 물리적 이론을 확립하기 위해서라기보다는 원자론의 일반적 교의를 확증하기 위해서였다.

과학적 원자론의 발전과 함께 일반적인 철학적 문제는 점점 뒷전으로 밀려나고 구체적 현상을 설명하는 일에 관심이 모아졌다. 처음에는 원자의 성질을 설명되어야 할 현상과 직접 연관하여 고찰했다. 이리하여 19세기 원자론은 화학원소가 각기 고유한 원자를 가지며 각각의 화합물은 각기 고유한 분자를 갖는다고 보았다.

그러나 화학반응에서 분자는 고유한 성질을 상실하며 어떤 분자구조가 파괴되면서 새로운 분자가 생겨난다는 것이 밝혀졌다. 핵 반응과 함께 원자론은 새로운 단계에 도달했다. 원자 자체가 더이상 분할되지 않는 것이 아니라 분할가능하게 되었고 원자보다 더 기본적인 요소(예를 들면 소립자)가 발견되었다. 물질세계의 운동을 설명하는 데에서 성공을 거두면서 원자론은 다른 영역으로 확대되어, 19세기에는 전기현상, 20세기에는 에너지 과정에 적용되었다.

그밖에도 버트런드 러셀이나 루트비히 비트겐슈타인의 논리적 원자론, G.W. 라이프니츠의 단자론에서도 원자론적 사고를 발견할 수 있다.