물질
입자에 의한 물질의 정의에 따르면 원자는 경입자의 일종인 전자와 쿼크에 의해 이루어진 바리온인 양성자, 중성자로 이루어진다. 이렇게 이루어진 원자는 다시 분자를 구성한다. 이러한 의미에서 원자와 분자를 물질의 기본단위로 정의할 수 있다. 이러한 정의는 이온과 같이 원자가 아닌 상태의 물질에서도 적용될 수 있다.
역학 (물리학)
이렇게 에너지의 전달을 설명하기 위해 시작된 양자 역학은 원자에 대한 연구가 진척됨에 따라 원자 이하의 물질들이 보이는 여러 현상을 설명하는 학문으로서 자리잡게 되었다. 1905년 아인슈타인은 광자가 양자화되어 있다는 것을 밝혔고, 1913년 닐스 보어는 수소의 방출 스펙트럼을 양자화된 전자의 에너지 준위로서 설명하였으며, 루이 드 브로이은 운동하는 물체역시 파동으로서 서술할 수 있다는 것을 밝히고 물질파를 도입하였다.
1927년 베르너 하이젠베르크는 불확정성 원리를 발표하였다. 운동하는 미시적 입자의 위치와 운동량을 동시에 측정할 수 없다는 불확정성 원리로 인해 원자 이하의 입자에 대한 관찰은 확률에 의할 수 밖에 없다는 것이 밝혀졌다. 원칙적으로 위치의 불확정성과 운동량의 불확정성의 곱은 플랑크 상수보다 작아질 수 없다. 이에 따라 에르빈 슈뢰딩거는 원자핵에 묶인 전자의 움직임을 입자로서 설명하는 것을 버리고, 파동으로서 설명하는 슈뢰딩거 방정식을 수립하였다. 슈뢰딩거 방정식은 하나의 전자가 원자핵 주변에서 점 또는 미소 공간에 존재할 확률을 제시한다. 닐스 보어는 관찰자가 어떠한 방식으로 실험을 하는 지에 따라 물체가 입자 또는 파동의 성질을 보일 수 있다는 상보성 원리로서 불확정성 원리를 설명하였다.