經(jīng)過相當(dāng)長時期的探索,直到20世紀(jì)初,人們對原子本身的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運動規(guī)律才有了比較清楚的認(rèn)識,之后才逐步建立起近代的原子物理學(xué).
1897年前后,科學(xué)家們逐漸確定了電子的各種基本特性,并確立了電子是各種原子的共同組成部分.通常,原子是電中性的,而既然一切原子中都有帶負(fù)電的電子,那么原子中就必然有帶正電的物質(zhì).20世紀(jì)初,對這一問題曾提出過兩種不同的假設(shè).
1904年,湯姆遜提出原子中正電荷以均勻的體密度分布在一個大小等于整個原子的球體內(nèi),而帶負(fù)電的電子則一粒粒地分布在球內(nèi)的不同位置上,分別以某種頻率振動著,從而發(fā)出電磁輻射.這個模型被形象的比喻為“果仁面包”模型,不過這個模型理論和實驗結(jié)果相矛盾,很快就被放棄了.
1911年盧瑟福在他所做的粒子散射實驗基礎(chǔ)上,提出原子的中心是一個重的帶正電的核,與整個原子的大小相比,核很小.電子圍繞核轉(zhuǎn)動,類似大行星繞太陽轉(zhuǎn)動.這種模型叫做原子的核模型,又稱行星模型.從這個模型導(dǎo)出的結(jié)論同實驗結(jié)果符合的很好,很快就被公認(rèn)了.
繞核作旋轉(zhuǎn)運動的電子有加速度,根據(jù)經(jīng)典的電磁理論,電子應(yīng)當(dāng)自動地輻射能量,使原子的能量逐漸減少、輻射的頻率逐漸改變,因而發(fā)射光譜應(yīng)是連續(xù)光譜.電子因能量的減少而循螺線逐漸接近原子核,最后落到原子核上,所以原子應(yīng)是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng).
但事實上原子是穩(wěn)定的,原子所發(fā)射的光譜是線狀的,而不是連續(xù)的.這些事實表明：從研究宏觀現(xiàn)象中確立的經(jīng)典電動力學(xué),不適用于原子中的微觀過程.這就需要進一步分析原子現(xiàn)象,探索原子內(nèi)部運動的規(guī)律性,并建立適合于微觀過程的原子理論.
1913年,丹麥物理學(xué)家玻爾在盧瑟福所提出的核模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合原子光譜的經(jīng)驗規(guī)律,應(yīng)用普朗克于1900年提出的量子假說,和愛因斯坦于1905年提出的光子假說,提出了原子所具有的能量形成不連續(xù)的能級,當(dāng)能級發(fā)生躍遷時,原子就發(fā)射出一定頻率的光的假說.
玻爾的假設(shè)能夠說明氫原子光譜等某些原子現(xiàn)象,初次成功地建立了一種氫原子結(jié)構(gòu)理論.建立玻爾理論是原子結(jié)構(gòu)和原子光譜理論的一個重大進展,但對原子問題作進一步的研究時,卻顯示出這種理論的缺點,因此只能把它視為很粗略的近似理論.
1924年,德布羅意提出微觀粒子具有波粒二象性的假設(shè),以后的觀察證明,微觀粒子具有波的性質(zhì).1926年薛定諤在此基礎(chǔ)上建立了波動力學(xué).同時,其他學(xué)者,如海森伯、玻恩、狄喇克等人,從另外途徑建立了等效的理論,這種理論就是現(xiàn)在所說的量子力學(xué),它能很好地解釋原子現(xiàn)象.