经过相当长时期的探索,直到20世纪初,人们对原子本身的结构和内部运动规律才有了比较清楚的认识,之后才逐步建立起近代的原子物理学.
1897年前后,科学家们逐渐确定了电子的各种基本特性,并确立了电子是各种原子的共同组成部分.通常,原子是电中性的,而既然一切原子中都有带负电的电子,那么原子中就必然有带正电的物质.20世纪初,对这一问题曾提出过两种不同的假设.
1904年,汤姆逊提出原子中正电荷以均匀的体密度分布在一个大小等于整个原子的球体内,而带负电的电子则一粒粒地分布在球内的不同位置上,分别以某种频率振动着,从而发出电磁辐射.这个模型被形象的比喻为“果仁面包”模型,不过这个模型理论和实验结果相矛盾,很快就被放弃了.
1911年卢瑟福在他所做的粒子散射实验基础上,提出原子的中心是一个重的带正电的核,与整个原子的大小相比,核很小.电子围绕核转动,类似大行星绕太阳转动.这种模型叫做原子的核模型,又称行星模型.从这个模型导出的结论同实验结果符合的很好,很快就被公认了.
绕核作旋转运动的电子有加速度,根据经典的电磁理论,电子应当自动地辐射能量,使原子的能量逐渐减少、辐射的频率逐渐改变,因而发射光谱应是连续光谱.电子因能量的减少而循螺线逐渐接近原子核,最后落到原子核上,所以原子应是一个不稳定的系统.
但事实上原子是稳定的,原子所发射的光谱是线状的,而不是连续的.这些事实表明：从研究宏观现象中确立的经典电动力学,不适用于原子中的微观过程.这就需要进一步分析原子现象,探索原子内部运动的规律性,并建立适合于微观过程的原子理论.
1913年,丹麦物理学家玻尔在卢瑟福所提出的核模型的基础上,结合原子光谱的经验规律,应用普朗克于1900年提出的量子假说,和爱因斯坦于1905年提出的光子假说,提出了原子所具有的能量形成不连续的能级,当能级发生跃迁时,原子就发射出一定频率的光的假说.
玻尔的假设能够说明氢原子光谱等某些原子现象,初次成功地建立了一种氢原子结构理论.建立玻尔理论是原子结构和原子光谱理论的一个重大进展,但对原子问题作进一步的研究时,却显示出这种理论的缺点,因此只能把它视为很粗略的近似理论.
1924年,德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的假设,以后的观察证明,微观粒子具有波的性质.1926年薛定谔在此基础上建立了波动力学.同时,其他学者,如海森伯、玻恩、狄喇克等人,从另外途径建立了等效的理论,这种理论就是现在所说的量子力学,它能很好地解释原子现象.