برای درک بهتر مکانیزم عملکرد ساعت‌های اتمی، بهتر است ابتدا درک مناسبی از ساختار اتم داشته باشیم.
این ایده که ماده از اتم ساخته شده است، در قرن ۱۹ مورد قبول اکثر دانشمندان بود.
در سال ۱۹۰۴ فیزیکدان انگلیسی جوزف تامسون، بر پایه‌ی مشاهدات خود از آزمایش پرتو کاتدی، مدل اتمی Plum Puddling Model یا مدل کیک کشمشی یا مدل هندوانه‌ای را ارائه داد. البته تامسون کاشف الکترون نبود.
در واقع تامسون دریافت که:
همه‌ی اتم‌ها خود دارای ذرات سازنده‌ی کوچکتری با بار منفی به نام الکترون هستند.
پیشتر و در دهه‌ی ۱۸۷۰ میلادی، شیمی-فیزیکدان انگلیسی ویلیام کروکس، اولین لوله‌ی پرتوی کاتدی را ساخته بود. کروکس در دو سر یک لوله‌ی شیشه‌ای دو قطعه‌ی فلزی (کاتد و آند) قرار داد و دو سر لوله را مسدود کرد. هوای درون لوله‌ی شیشه‌ای را تا حد امکان تخلیه کرد (فشار ۰/۰۰۰۱ بار) و سپس به دو قطعه‌ی فلزی، یک اختلاف ولتاژ بالا (۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ ولت) اعمال کرد. با قرار دادن مواد دارای خاصیت فلورسنس، کروکس پرتویی مشاهده کرد که از قطب منفی (کاتد) به قطب مثبت (آند) جریان دارد.
کروکس در سال ۱۸۷۴ یک پره‌ی بسیار کوچک در مسیر پرتوهای کاتدی قرار داد و مشاهده کرد که پرتو کاتدی باعث چرخش این پره می‌شود. پس نتیجه گرفت که پرتو کاتدی دارای مومنتوم است.
همچنین در سال ۱۸۷۹ انحراف پرتو کاتدی در اثر اعمال میدان مغناطیسی را مشاهده کرد و نتیجه گرفت که پرتو کاتدی از مولکول‌های گازی با بار منفی تشکیل شده است.
در آن زمان، تصور میشد که کوچک ترین جزء سازنده‌ی ماده، اتم‌های هیدروژن و نیتروژن هستند.
فیزیکدان بریتانیایی (+آلمانی) آرتور شوستر در سال ۱۸۹۰ با قرار دادن دو صفحه‌ی فلزی موازی با پرتو کاتدی و اعمال یک میدان الکتریکی بر پرتو کاتدی، مشاهده کرد که پرتو کاتدی به سمت صفحه با بار مثبت منحرف می‌شود که مجددا نشان می‌داد پرتو کاتدی دارای بار منفی است.
شوستر با تغییر جریان الکتریکی، میزان انحراف را اندازه‌گیری و نسبت بار به جرم ذرات پرتو کاتدی را محاسبه کرد.
اما در آن زمان، کسی به نتایج شوستر توجهی نکرد. چرا که همانطور که گفته شد،
در آن زمان تصور میشد که کوچک ترین جزء سازنده‌ی ماده، اتم‌های هیدروژن و نیتروژن هستند که بسیار سنگین‌تر از مقداری بودند که توسط شوستر محاسبه شده بود.