原子是由原子核和圍繞原子核運動的若干個電子構成，原子內部的這種構成情況稱為原子結構（英語：atomic structure）。原子核又由若干數目的質子、中子和其他粒子構成。質子帶有一個單位的正電荷，電子帶有一個單位的負電荷，中子則不帶電荷。原子核所帶的質子數與核外的電子數相等，整個原子呈電中性。原子可以構成分子，也可以形成離子，也可以直接構成物質。
1803年，英國科學家約翰·道爾頓(Dalton，1766-1844)提出了原子學說以及世界上第一個有關原子的理論模型。但道爾頓原子學說沒有說明原子和分子的區別，也未能闡釋原子的具體組成和結構。20世紀初比較有代表性的原子結構模型包括湯姆遜葡萄干布丁原子模型（Plum pudding model，1901年）、長岡半太郎土星模型（Nagaoka Hantaro，1903年）、歐內斯特·盧瑟福的有核模型（Rutherford model，1909年）、尼爾斯·玻爾氫原子模型（Niels Henrik David Bohr model，1913）和埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）電子云模型。原子有核結構的發現宣告了原子核物理學的誕生。玻爾在核式原子結構模型的基礎上，將量子化概念應用于原子系統加速了量子論的發展，玻爾的理論成功地說明了原子的穩定性和氫原子光譜線規律。而薛定諤電子云模型是原子模型的量子力學描述。
相關概念
原子是由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子構成。原子核所帶的正電荷數（即核電荷數）與原子核外電子所帶的負電子數相等，故原子呈電中性。原子可以構成分子，也可以形成離子，也可以直接構成物質。
亞原子粒子
亞原子粒子，是一種結構比原子更小的粒子，包括電子、質子和中子、介子、夸克、膠子和光子等粒子。
原子核
原子核（atomic nucleus）是由質子（Proton）和中子（Neutron）組成。質子是帶正電的，它就是氫原子核，質子的靜止質量為1.673×10-27kg，電量為1.602×10-19庫倫（C），半徑約為0.8×10-15m，質子常用符號H表示。質子還可以繼續分解，根據物理學家（Murray Gell-Mann）的夸克模型，質子內部有三個更基本的粒子，稱為“夸克”。原子核中質子數目決定其化學性質和它屬于何種。在現有的理論下，夸克和電子都是不可再分的，它們都是最基本的粒子。中子(中子人)是組成物質的之一，不帶電，因此被稱為中子。中子的靜止質量為1.675×10-27kg，它的半徑約為0.8×10-15m，與質子大小類似。中子常用符號n表示。中的只有中子組成，密度大到驚人，直徑只有幾公里的中子星質量便可以達到的好幾倍。
原子的質量主要就集中在原子核，占到99.96%以上原子的質量。原子核體積極小，直徑在10－14至10－15m之間，體積只占原子體積的幾千億分之一。原子核的密度極大，約為1014g/cm3，構成原子核的質子和中子之間存在介子。原子核的能量極大,當原子核發生裂變或聚變時，會釋放出巨大的原子核能，即原子能。
電子云
由于電子在原子核外同不區域出現的概率不同，通常用小黑點來表示核外電子在某處出現的幾率大小。小黑點密，說明電子云密度值大，即電子在該處出現的幾率大；小黑點疏，說明電子云密度值小，即電子在該處出現的幾率小；電子出現機會最大的區域，就是電子云密度最大的地方。把電子出現的幾率相等的地方聯接起來的線，稱為等密度線，亦稱電子云的界面，這個界面所包括的空間范圍稱為原子軌道。
歷史沿革
古希臘
留基伯（Leucippus）是古希臘時期的利奧六世，他所處年代大約為公元前五世紀。留基伯是原子論（atomism）的創始人和奠基者，是第一個提出原子是本原的人并對原子論基本框架理論進行了梳理和建構。留基伯認為事物的總數是無限的，它們互相轉化，事物的全體包含了虛空和充實。原子落進虛空并相互結合就形成世界，而它們的體積增大而運動時就產生各種星體，基本元素原子與虛空的結合和分離造成世界的形成和消亡。
德謨克利特（Democritus），約公元前460年出生，古希臘哲學家，是留基伯的學生。德謨克利特把留基伯的原子論創建成了一個精致而完備的體系。根據這個理論體系，宇宙只由原子和真空這兩種基本元素構成。原子是最小的、不可分割的、不可見的物質粒子，永恒地存在于無限的虛空之中，既不能被從無中創造，也不能被消滅。不同元素的原子不同，它們以機械的嵌合方式結合，構成萬物。各種物體及其屬性的差別歸結為組成它們的原子的數量不同。
經典力學
道爾頓實心球模型
經過兩千余年的探索，后來許多科學家針對原子結構提出了自己的學說理論。把原子學說第一次從推測轉變為科學概念的是英國科學家約翰·道爾頓。1808年，英國化學家道爾頓根據化學實驗結果，提出了“原子論”。道爾頓認為物質的最小組成單位為原子，原子不能創造、不能毀滅、不能分制；同種元素的原子其形狀、質量、性質均相同，不同的元素則原子不同；原子以簡單的比例結合成化合物。道爾頓的原子學說解釋了一些化學現象。但約翰·道爾頓原子學說不能解釋同位素的發現，沒有說明原子和分子的區別，也未能闡釋原子的具體組成和結構。
法國湯姆遜公司葡萄干蛋糕模型
1897年，湯姆遜發現原子中存在電子，并用實驗方法測出電子的質量不及氫原子質量的千分之一(后進一步確定為氫原子質量的1/1836)。電子的發現使人們對原子結構的認識進入新的階段，認識到原子是由更小的微粒構成的。法國湯姆遜公司認為電子是平均的分布在整個原子上的，就如同散布在一個均勻的正電荷的海洋之中，它們的負電荷與那些正電荷相互抵消。這也叫做葡萄干蛋糕模型(棗核模型）。1901年，法國物理學家讓·佩蘭（Jean Baptiste Perrin）在一次演講中提出一種原子結構模型，認為原子的中心是一些帶正電的粒子，外面圍繞著一些電子（帶負電），電子運行的周期就對應于原子發射光譜譜線的頻率。1902年，英國物理學家開爾文（Lord 開爾文）提出類似葡萄干布丁的原子模型，認為原子是一個半徑大約為10-10米的球體，正電荷就均勻地分布于整個球體，電子則稀疏地嵌在球體中。同時期，日本物理學家長岡半太郎認為正負電不可能相互滲透，而提出了一種他稱之為“土星型模型”的結構。在長岡市的模型中，電子均勻地分布在一個環上，環的中心則是一個具有大質量的帶正電的球。他還根據詹姆斯·麥克斯韋關于土星環運動穩定性的研究，得出了他的模型中這種環的運動方程。但該模型后來被德國物理學家蓋革（H. Geiger，1882-1945）和新西蘭物理學家馬斯登（E. Marsden，1880-1970）的實驗否定了。
1911年，歐內斯特·盧瑟福以經典電磁學為基礎，通過α粒子散射實驗提出行星模型，即太陽系模型，也稱有核模型。盧瑟福認為原子的質量幾乎全部集中在直徑很小的核心區域，叫原子核，電子在原子核外繞核作軌道運動。盧瑟福通過粒子散射實驗，無可辯駁的論證了原子的有核模型，因而一舉把原子結構的研究引上了正確的軌道，于是他被譽為原子核物理學之父。1913年，在盧瑟福指導下，蓋革和馬斯登又仔細進行了α粒子散射實驗，證實了散射公式的正確性，從而支持了原子有核模型。歐內斯特·盧瑟福提出的原子有核模型一開始并沒引起重視，然而不久以后，盧瑟福的弟子奧格·玻爾大膽提出了核外電子定態和躍遷的革命性假說，圓滿解釋了氫光譜現象。
量子力學
玻爾原子軌道模型
1913年，玻爾將量子概念用到了盧瑟福的原子模型中，并且將原子結構與光譜聯系起來，提出了玻爾的氫原子模型。1913年7月、9月、11月，經由盧瑟福推薦，《哲學雜志》接連刊載了玻爾的三篇論文，標志著玻爾模型正式提出。這三篇論文成為物理學史上的經典，被稱為玻爾模型的“三部曲”，他在第一篇論文中著重闡述了有關輻射的發射和吸收，以及氫原子光譜的規律，在第二篇論文中論述了其它原子結構與周期表，在第三篇論文中探討了分子結構。
玻爾-索末菲理論
1916年，阿諾德·索末菲和德拜各自獨立地對氫原子模型進行了修正，形成了“奧格·玻爾索末菲理論”。亦即將玻爾氫原子模型的圓形軌道推廣到橢圓形軌道，并且相應地，將玻爾原先的量子化條件從1個擴展到3個。
埃爾溫·薛定諤電子云模型
1926年奧地利學者薛定諤提出了著名的薛定諤方程式。這個方程式的解，如果用三維坐標以圖形表示的話，就是電子云。電子云是近代對電子用統計的方法，在核外空間分布方式的形象描繪，它的區別在于行星軌道式模型。電子有波粒二象性，它不像宏觀物體的運動那樣有確定的軌道，因此畫不出它的運動軌跡。我們不能預言它在某一時刻究竟出現在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現的機會有多少。為此，就以單位體積內電子出現幾率，即幾率密度大小，用小白點的疏密來表示。小白點密處表示電子出現的幾率密度大，小白點疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。薛定諤方程到目前為止通過了所有實驗的考驗，它是量子力學的基本方程，它是描述的每一個量子力學系統的出發點。薛定諤方程最早的成功在于它描繪了氫原子的離散能量譜。在奧格·玻爾的原子模型中，電子被限制在某些能量級上，埃爾溫·薛定諤將他的方程用于氫原子，發現他的解精確的重現了玻爾的能量級。
相關原理
盧瑟福有核模型
α粒子散射實驗的歷史背景：湯姆遜原子模型被廣泛接受和放射性的發現。盧瑟福散射的基本思想：α粒子被看作一帶電質點，在核庫侖場中的運動遵從經典運動方程；原子核的大小和原子相比是很小的，且原子核具有正電荷Ze和原子的大部分質量；電子的質量很小，對α粒子運動的影響可忽略不計。結果：絕大多數α粒子經過金屬箔的散射后，只有很小角度的偏轉，偏轉角度小于2°；有大約1/8000的α粒子的散射角度大于90°。
瞄準距離與散射角的關系
歐內斯特·盧瑟福把α粒子和靶原子都當作點電荷，假設兩者之間的靜電斥力是唯一的相互作用力。這是一個兩體碰撞問題。設一個α粒子以速度沿AT方向運動，由于受到靶核電荷的庫侖場作用，α粒子將沿軌道ABC運動，即發生散射。因靶原子的質量比α粒子質量大得多，可近似認為靶核靜止不動。按庫侖定律，相距為r的α粒子和原子核之間庫侖斥力的大小為：，(1)
式中Z為靶核電荷數。α粒子的軌跡為雙曲線的一支，如圖1所示。原子核與α粒子入射方向之間的垂直距離b稱為瞄準距離（碰撞參數），θ是入射方向與散射方向之間的夾角。由牛頓第二運動定律，可導出散射角與瞄準距離的關系為：，(2)其中，，(3)
式中m為α粒子質量。
由散射角與瞄準距離的關系式（2）可見，瞄準距離b大，散射角θ 就小；反之，b小，θ就大。只要瞄準距離b足夠小，θ就可以足夠大，這就解釋了大角度散射的可能性。但要從實驗上來驗證式（2），顯然是不可能的，因為我們無法測量瞄準距離b 。然而我們可以求出α粒子按瞄準距離b的分布，根據這種分布和式（2），就可以推出散射α粒子的角分布， 而這個角分布是可以直接測量的。
設有截面為S的α粒子束射到厚度為t的靶上。其中某一α粒子在通過靶時相對于靶中某一原子核a的瞄準距離在b~b+db之間的概率，應等于圓心在a而圓周半徑分別為b、b+db圓環面積與入射粒子截面S之比。若靶的原子密度為n，則α粒子束所經過的這塊體積內共有nSt個原子核，因此，該α粒子相對于靶中任一原子核的瞄準距離在b與b+db之間的概率為 ，(4)
這也就是該α粒子被散射到θ到θ+dθ之間的概率，即落到角度為θ和θ+dθ的兩個圓錐面之間的概率。由式(2)求導數可得：，(5)
于是
另外，由角度為θ和θ+dθ 的兩個圓錐面所圍成的立體角可表示為：
因此，α粒子被散射到該范圍內單位立體角的概率為：
，（6）
上式兩邊除以單位面積的靶原子數nt可得導數散射截面：
，（7） 這就是歐內斯特·盧瑟福α粒子散射公式。
其中，dσ/dΩ的單位為mb/sr，E的單位為MeV。 實驗過程中，設探測器的靈敏面積對靶所張的立體角為ΔΩ，由盧瑟福散射公式可知在 某段時間間隔內所觀察到的α 粒子數 N 應是：，（9）
式中T為該時間內射到靶上的α粒子總數。由于式中N、ΔΩ、θ等都是可測的，所以式（9）可和實驗進行比較。由該式可見，在θ方向上ΔΩ內所觀察到的α粒子數N與散射靶的核電荷數Z、α粒子動能及散射角θ等因素都有關，其中N∝1/的關系是歐內斯特·盧瑟福理論最有力的驗證。
玻爾原子軌道理論
的原子結構理論的主要內容是：電子只能在一些特定的圓軌道上繞核運行，在這些軌道上，電子的角動量是的整數倍。電子在上述特定軌道上運行時，不發射也不吸收能量，因此是穩定的（即處于“定態”）。當電子從一個具有較高能量的軌道躍遷到具有低能量的軌道時，就要發射出輻射，輻射的頻率滿足如下關系：；反過來如果電子從躍?遷?到?，那就是輻射的吸收過程。為了解釋氫原子光譜的實驗規律，奧格·玻爾（N.Bohr）在核式原子結構模型的基礎上，將量子化概念應用于原子系統，提出了3條基本假設：
經典軌道加定態條件
玻爾認為，氫原子中的一個電子繞原子核作圓周運動(經典軌道)，并作一個硬性的規定：電子只能處于一些分立的軌道上，它只能在這些軌道上繞核轉動且不產生電磁輻射，這就是玻爾的定態條件，定態的能量分別為E1，E2，E3，···。當質量為me的電子以原子核為中心做半徑為r的圓周運動，電子受到的向心力為，這個力只能由質子和電子之間的庫侖引力來提供，即，由此得到電子在圓周運動中的能量表達，即氫原子定態能量公式。如果將上述常數代入氫原子定態能量公式中，即可得到：
，電子在n=1的軌道上繞核旋轉時，其能量為En=-13.6eV，原子的能量最小（絕對值最大），這是氫原子的最低能級，稱為基態能級，當n >1的狀態稱為激發態能級。氫原子的能量均為負值，表明原子中的電子處于束縛態，激發態中電子半徑隨n2增大，而原子的能量絕對值按n-2的規律下降。因此，n值越大，相鄰能級差越小，能級越密，當n→∞時，E∞=0，則成為電離態，這時電子脫離原子核的束縛而成為自由電子。因此，電子從基態到脫離原子核的束縛所需的能量（稱為電離能）為13.6eV。
原子可以從較高能態向較低能態躍遷，并伴隨光的發射。與n≥2的激發態向基態的躍遷相應的發射形成西奧多·賴曼線系，由n≥3的激發態向n=2的躍遷相應的發射形成約翰·巴耳末線系。
軌道角動量量子化假設
發現，原子中電子繞核運動的軌道角動量L只能是（h為普朗克常數）的整數倍，電子只能在角動量為的整數倍的軌道上繞核旋轉，則由氫原子定態能量公式計算出的氫原子的允許能級便與觀察結果相一致，即
。另外，圓周運動的角動量大小是半徑乘以動量：，即，其中，n是主量子數，h為馬克斯·普朗克常數，結合表達式，可以得到新的半徑的表達式，即，也可以將上述的定態能量公式結合角動量量子化條件，整理成。繼續將代入半徑公式，當n=1時，可得玻爾第一軌道半徑，也稱為玻爾半徑：，這是氫原子核外電子的最小軌道半徑。
同時，電子做圓周運動的頻率也可得到。
躍遷能量變化假設
當原子從一個具有較大能量En,的定態躍遷（transition）到另一個具有較低能量En定態時，原子輻射一個光子，光子的頻率滿足，反之，原子從Em躍遷到En則需要吸收一個能量為的光子，因此上式稱為頻率公式，h為馬克斯·普朗克常數。將該式與廣義巴耳末公式比較可以發現氫原子第n個定態的能量為：而氫原子所有線系的光譜，都可以用從一個能級En向另一個能級Em的躍遷相應的輻射加以理解。因此，的量子理論成功地解釋了原子的穩定結構和線狀光譜。
將氫原子定態能量公式，代入中 ，既可得到，整理下即為，其中為里德伯常數。此外，里德伯常數也可根據里德伯公式進行推導，，當 n 很大時，考慮兩個相鄰n之間的躍遷(n'-n=1)，頻率，根據相對應原理，結合電子做圓周運動的頻率，即可得到，由此可以得出，，上式與軌道半徑公式（）一致，于是可以得到里德伯常量的表達式：。
局限性
玻爾理論只能計算氫原子（或類氫離子）的光譜頻率，而不能確定其譜線強度和精細結構，同時對于復雜的原子例如氦原子玻爾理論也不能解釋其光譜現象。奧格·玻爾理論還沒有完全揭示微觀粒子的運動規律。對原子世界，或者更一般地說，微觀世界更完整、更準確的描寫就是以后建立的量子力學。
薛定諤方程
與玻爾和海森伯格不同，埃爾溫·薛定諤并沒有鉆進原子譜線的迷宮， 他的靈感直接來自路易·德布羅意關于“物質波”的工作。薛定諤是從阿爾伯特·愛因斯坦的文章中得知德布羅意的工作的，他非常欣賞德布羅意提出的：伴隨每一個運動的電子，總有一個如影隨形的“相波”。薛定諤沒有像玻爾那樣強加一個“分立能級”給原子，也沒有像海森伯那樣運用那種復雜而龐大的矩陣，他把電子看成德布羅意波，然后直接去尋找一個波動方法。薛定諤從經典力學的哈密頓卡爾·雅可比方程出發，利用變分法和德布羅意公式，最終導出了一個非相對論性的波動方程即薛定諤方程。把這個方程應用于氫原子，就能得到氫原子光譜的公式，該方程也同樣適用于其他原子從而使玻爾理論的局限性得以消除。
方程內容
由于微觀粒子的，經典粒子運動狀態已不能用位置和來準確地描述，于是用來描述波的行為，因此，（Born）對此提出的統計性解釋，認為大量粒子在空間何處出現的空間分布卻服從一定的統計規律，將粒子的波動性和粒子性聯系起來。微觀粒子的運動狀態可以用波函數表示，表示t時刻粒子處于看見處體積元內的幾率，為幾率密度，表示t時刻粒子在空間處單位體積中的幾率。動量為p的電子通過雙窄縫后在空間處單位體積中出現的幾率為：，式中，與分別代表來自窄縫S1與的波長，初位相相同的，對與選擇合適的函數，就可以由上式解釋實驗觀察到的干涉現象。
波函數滿足微觀領域的基本方程—方程，三維空間中的一般定態薛定諤（Erwin ）方程為：，令則有式中，為（）算符，為，為粒子的坐標，為粒子質量，為，為粒子所具有的總能量。對于質量為（不考慮相對論效應）并在勢能為的勢場中運動的一個粒子來說，有一個波函數與這粒子運動的穩定狀態相聯系并滿足方程式。只要給出粒子在系統中的勢能，通過求解，就可以求出穩定狀態的波函數和相應的能量。只有當總能量具有某些特定值的薛定諤方程才有解，即量子化的能量。
推導過程
首先，的假定是：任何物質都有波動性，也就是波。從這一假定出發，定義量子（也可以叫做粒子，或者物質）的形式為一系列理想的：~
或者說，量子可以表達為理想平面波的形式。在上面平面波的表達式中，可以找出與能量與對應的算符表達式，分別為：→，→
將這兩個算符帶入經典粒子能量表達式：
雖然該方程叫做量子的，它的數學形式卻是量子波動的。由于上述推導過程得到了薛定諤方程，那么薛定諤方程就繼承了推導過程的所有物理假定。但是這里的假定只有一個，也就是假定。能量表達式并不需要假定，它是經典體系中能量的定義。薛定諤方程只是能量表達式的算符形式，并沒有給定任何限制條件。或者說，它是任何時候都成立的，而不是我們一般意義下的方程。數學定義下的方程，是指一定條件下才成立的等式。解方程，就是找到等式成立的條件。所以，從數學定義上來說，不是方程，而是恒等式。
相關實驗
湯姆遜實驗-發現電子
1897年，湯姆遜在實驗中發現原子中有電子存在。這打破了上面提到的從古希臘人那里流傳下來的“原子不可分”的理念。
實驗裝置：氣體放電管（如下圖1所示）
實驗步驟：由陰極K發射的帶電粒子通過縫隙A、B形成一束細細的射線。它穿過兩片平行的金屬板D1、D2之間的空間，到達右端帶有標尺的熒光屏上。根據射線產生的熒光的位置（如下圖1中P1，P2，P3)，可以研究射線的徑跡。
實驗結果：管中殘存氣體分子中的正負電荷在強電場的作用下被“拉開”（即氣體分子被電離），正電荷（即正離子）在電場加速下撞擊陰極，于是陰極釋放更多的粒子流，形成陰極射線。
實驗結論：湯普森沖鋒槍所做實驗是用電場以及磁體使陰極射線偏轉，該實驗證明了陰極射線是帶負電荷的粒子，它們的質量只是最小的原子—氫原子的約1/1800。湯姆遜把這種帶負電荷的粒子稱為電子。電子的質量約為0.5MeV。湯姆遜的實驗明確地向人們展示了：原子不是不可分割的，它有內部結構。由于對原子結構缺少最基本的信息，于是湯普森沖鋒槍憑借想象勾勒出原子的圖像：原子呈球狀，帶正電荷，帶負電的電子 一粒粒地鑲嵌在這個圓球上。
盧瑟福實驗-發現質子
α粒子的散射實驗
1898年，英國物理學家歐內斯特·盧瑟福發現了α射線，與β射線不同，α射線是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉2個電子的氦原子。1908年5月，蓋革和馬斯登通過進行α射線的散射實驗發現了轟擊金屬箔的α粒子中每8000個粒子有一個要反射回來。盧瑟福驗證了蓋革他們的實驗結果。盧瑟福指出湯普森沖鋒槍的原子模型和帶電粒子的散射理論只能解釋α粒子的小角度散射，但對大角度散射無法解釋。
實驗裝置：如下圖所示：被鉛塊包圍的放射源R（即α粒子源）、金箔F、顯微鏡M、熒光屏S
實驗步驟：1911年，歐內斯特·盧瑟福以一塊鐳為源，做了用α粒子轟擊金屬箔的散射實驗。如上圖所示，α粒子經過一條細通道，形成一束射線，打在金屬箔F上。顯微鏡M帶有熒光屏S，可以在水平面內轉到不同的方向對散射α粒子進行觀察。被散射的α粒子打在熒光屏上會有微弱的閃光產生。通過顯微鏡觀察閃光就可以記錄在某一時間內向某一方向散射的α粒子數。從α粒子放射源到熒光屏這段路程處于真空中。
實驗結果：當α粒子打到金箔時，由于金原子中的帶電粒子對α粒子有庫侖力的作用，一些α粒子的運動方向改變，也就是發生了α粒子的散射。統計散射到各個方向的α粒子所占的比例。可以推知原子中電荷的分布情況。實驗發現大多數α粒子穿過金箔后仍然按照原來的方向前進，少部分發生了大角度偏轉，極少數偏轉的角度甚至大于90°。
實驗結論：根據該實驗結果，歐內斯特·盧瑟福斷定原子內部有一個體積極小、密度很大的核心—原子核，從實驗上證明了原子是由電子和原子核構成的。在呈中性的原子內部原子核帶正電，電子繞原子核運動，整個原子比原子核大約10000倍。盧瑟福原子模型將原子中電子繞原子核的運動看作像行星繞太陽的軌道運動一樣，電子由于電磁相互作用在原子核外圍做軌道運動。后來人們發現，與地球在繞太陽做軌道運動外還有自轉類似，電子除了繞原子核軌道運動外還有“自轉”，稱為自旋。
α粒子轟擊氮原子核實驗
1914年，歐內斯特·盧瑟福用帶正電的射線—α粒子轟擊氫原子。實驗結果表明：氫原子的電子被打掉后變成了帶正電的陽離子，實際上就是氫的原子核。盧瑟福推測，它就是以前發現的與陰極射線相對的陽極射線，它的電荷量為一個單位，質量也為一個單位，盧瑟福將它命名為質子。1919年，盧瑟福應邀擔任英國劍橋大學卡文迪什實驗室主任，他用α粒子轟擊干燥的氮氣，擊中氮原子核，使氮轉化為氧，并釋放出一個質子，實現了人類歷史以來第一次人工核反應。
實驗裝置：該實驗所包含裝置如下圖所示：放射性物質源鐳（α粒子）A、容器C、閥門T、鋁箔F、熒光屏S、顯微鏡M
實驗步驟：選擇厚度合適的鋁箔，在充入氮氣前使熒光屏不閃光，之后充入氮氣并觀察熒光屏的閃光情況。
實驗結果：從實驗結果可知，充入氮氣后出現了比α粒子穿透性更強的新的粒子，這種粒子可以穿透鋁箔使熒光屏閃光。
實驗結論：通過實驗歐內斯特·盧瑟福認為原子核中可能并非只有質子這唯一的基本成分。1920年，盧瑟福首次提到原子核里中性子的概念。他在皇家學會貝克里安講座的演講中提出：也許在原子核這樣微小的范圍內，多余的質子吸引了核外電子，形成了一種質量與質子相近的中性粒子。盧瑟福繼發現質子以后，又預言了中子的存在。
玻爾理論相關實驗
皮克林線系的驗證—類氫光譜
光譜線系的規律與原子結構有內在的聯系，因此，光譜是研究原子結構的一種重要的方法。
實驗裝置：如下圖所示包括光源、棱鏡光譜儀、狹縫S和準直透鏡L1組成準直系統，S位于L1的焦面上，被分析的光通過狹縫S后再經準直透鏡L1就變成平行光。色散系統就是一個棱鏡P，有的棱鏡光譜儀的色散系統具有兩個或三個棱鏡。
實驗步驟：讓光源透過狹縫S照射棱鏡光譜儀之后成像
實驗結果：如果從準直系統出射的平行光是單色光，則通過棱鏡后平行光只是被偏折了一定的角度。被棱鏡偏折的單色平行光被成像物鏡L2成像于它的焦面FF＇上。這個像就是狹縫S的單色像即光譜線。也可以認為透鏡L1和L2構成一個成像系統，它把由被分析的單色光照亮的狹縫S成像于FF＇上。棱鏡P的作用是使單色光偏折一定的方向。如果照亮狹縫的是復色光，則由于棱鏡的色散作用，不同波長的單色光偏折的方向也不同，于是在FF＇上得到一排被分開的單色像，即不同波長的譜線，這就是被分析的光譜。如果用光譜底 片代替屏FF＇就能得到光譜照片。
實驗結論：根據光譜實驗，1885年瑞士物理學家約翰·巴耳末（Johann Jakob Balmer）發現了可見光區氫（H）光譜譜線波長的規律，即巴爾末公式。這些譜線構成了一個譜線系，即巴爾末系，并用Hα、Hβ、Hγ等字母代表巴爾末系的第一條、第二條、第三條譜線。1897年，美國天文學家皮克林（E.C.Pickering）在恒星弧矢增二十二的光譜中發現了一組獨特的線系，稱為皮克林線系。皮克林線系中有一些譜線靠近巴耳末線系，但又不完全重合，另外有一些譜線位于巴耳末線系兩臨近譜線之間。起初皮克林線系被認為是氫的譜線，然而尼爾斯·玻爾提出皮克林線系是類氫離子He+發出的譜線。隨后英國物理學家埃萬斯在實驗室中觀察了He+的光譜，證實玻爾的判斷完全正確。
莫斯萊公式驗證
和尼爾斯·玻爾提出玻爾模型幾乎同一時期，英國物理學家莫塞萊（Henry Gwyn Jeffreys Moseley）測定了多種元素的X射線標識譜線，發現它們具有確定的規律性，并得到了經驗公式—莫塞萊公式。莫塞萊看到奧格·玻爾的論文，立刻發現這個經驗公式可以由尼爾斯·玻爾模型導出，為玻爾模型提供了有力的證據。
1914年，夫蘭克（James Franck）和赫茲（Gustav Hertz）進行了用電子轟擊汞蒸汽的實驗，即詹姆斯·弗蘭克赫茲實驗。
實驗裝置：熱陰極K、柵極G、接收極A 、Hg蒸汽
實驗步驟：在KG空間加速電子碰撞原子，使之激發；動能足夠大的電子通過GA空間，到達A極。；測量接收極電流與 加速電壓間的關系。
實驗結果：當電子的加速電壓為4.9V時，即電子的動能達到4.9eV時，可以使Hg原子由于吸收電子的能量而從基態躍遷到最近的激發態。實驗結果顯示，汞原子內確實存在能量為4.9eV的量子態。1920年代，詹姆斯·弗蘭克和赫茲又繼續改進實驗裝置，發現了汞原子內部更多的量子態。
實驗結論：有力地證實了奧格·玻爾模型的正確性。
普朗克輻射定律
1916年，阿爾伯特·愛因斯坦從奧格·玻爾的原子理論出發用統計的方法分析了物質的吸收和發射輻射的過程，導出了馬克斯·普朗克輻射定律。愛因斯坦的這一工作綜合了量子論第一階段的成就，把普朗克、愛因斯坦、玻爾三人的工作結合成一個整體。
存在驗證
1932年，美國物理學、化學家哈羅德·尤里（Harold Clayton Urey）發現氫（H）的同位素—氘（D）的光譜，測量到了氘的里德伯常數，和尼爾斯·玻爾模型的預言符合得很好。
查德威克實驗-發現中子
讓·約里奧－居里夫婦用鈹射線轟擊石蠟和其他含氫物質，觀察到石蠟中放射出一種強粒子流。由于當時人們錯誤地認為這種鈹輻射是一種輻射，從而對這種粒子流的放射現象難以做出解釋。詹姆斯·查德威克(J. Chadwick) 根據約里奧-居里夫婦的實驗，敏銳地覺察到鈹輻射絕不是γ輻射，很可能是由鈹中射出的新的粒子組成的。1932年，查德威克在約里奧-居里夫婦(F. Joliot-Curie and I. Joliot-Curie)工作的基礎上通過進一步的實驗，發現了中子。
實驗步驟：用α粒子轟擊鈹，再用鈹產生的射線轟擊石蠟，打出新的粒子流，通過測量被打出的粒子流的速度推算出了這種新粒子的質量。
實驗結果：發現從鈹中放出的射線是一種質量跟質子差不多的中性粒子，這種粒子不帶電，被稱為“中子”。
實驗結論：詹姆斯·查德威克首先用中子來解釋鈹輻射，并認為是中子從石蠟中撞擊出質子。隨后，他研究了當不同物質的核因碰撞而變成其他物質的新核和中子時發生的質量交換。知道不同核的質量，便可求出中子的質量。中子的發現使人類對物質結構的認識從原子核深入到質子 (p)、中子 (n) 這一層次。此后，海森伯格 (W. K. Heisenberg) 和伊凡寧柯 (D. Iwanenko) 立即提出了原子核由質子和中子組成的假說。不久，這一假說獲得驗證。至此人們認識到，原子是由原子核和繞核運動的電子組成的，而原子核由質子和中子通過很強的相互作用結合而成。氫原子是最簡單的原子，它的原子核僅有一個質子。除了氫原子核外，所有原子核中，帶正電荷的質子的質量和都比原子核質量要輕。由帶正電的質子和不帶電的中子組成的原子核帶正電，帶負電的電子由于電磁相互作用束縛在原子核周圍，從而形成原子。
意義
英國科學家約翰·道爾頓的實心球模型將原子學說第一次從推測轉變為科學概念，而電子的發現從實驗上打開了進入微觀世界的大門，從而也開啟了原子物理、原子核物理和基本粒子物理學的新時代。隨后原子有核結構的發現宣告了原子核物理學的誕生，原子核物理學是研究原子核性質的物理學分支。其三大領域，即研究各類次原子粒子與它們之間的關系、分類與分析原子核的結構、帶動相應的核子技術進展。奧格·玻爾的核外電子定態和躍遷的革命性假說，圓滿解釋了氫光譜現象。其次，解釋了約翰·巴耳末與里德伯的公式，首次算出了里德伯常量。理論中關于原子能量量子化，基態和激發態及自發輻射等基本概念迄今仍然沿用。該理論的提出一方面對舊量子論做出了貢獻，另一方面也率領了根本哈根學派完成了量子力學的根本哈根詮釋，并影響了當時的眾多物理學家，加速了量子論的發展。奧格·玻爾理論雖然取得了巨大的成功，但在物質和輻射的相互作用問題上卻帶有神秘的成分。第一個向這個黑暗的角落投射光明的是阿爾伯特·愛因斯坦。他于1916年從尼爾斯·玻爾的原子結構理論出發，研究了分子的吸收和發射輻射過程，把發射過程分成自發發射和受激發射，然后用統計方法來分析這兩種過程，結果就非常方便地推導出普朗克輻射定律。而如果略去受激輻射，就得到了威廉·維恩的輻射定律。愛因斯坦這一工作，綜合了量子論在第一階段的成就，而且第一次提出了受激輻射理論。60年代蓬勃發展起來的激光技術，就是以這一理論為基礎。薛定諤方程是量子力學的唯一動力學方程。它的出現，解決了令人頭疼的原子能級問題，并用來解決幾乎所有涉及微觀粒子的問題。
應用
分析原子能級躍遷輻射
由于原子軌道是分立的，則原子的能量也是分立的，即量子化的。這些量子化的能量被稱為能級。當原子從一個具有較大能量En,的定態躍遷（transition）到另一個具有較低能量En定態時，原子輻射一個光子，光子的頻率滿足，反之，原子從Em躍遷到En則需要吸收一個能量為的光子，因此上式稱為頻率公式，h為普朗克常數。將該式與廣義巴耳末公式比較可以發現氫原子第n個定態的能量為：而氫原子所有線系的光譜，都可以用從一個能級En向另一個能級Em的躍遷相應的輻射加以理解。因此，尼爾斯·玻爾的量子理論成功地解釋了原子的穩定結構和線狀光譜。
將氫原子定態能量公式，代入中 ，既可得到，整理下即為，其中為里德伯常數。此外，里德伯常數也可根據里德伯公式進行推導，，當 n 很大時，考慮兩個相鄰n之間的躍遷(n'-n=1)，頻率，根據相對應原理，結合電子做圓周運動的頻率，即可得到，由此可以得出，，上式與軌道半徑公式（）一致，于是可以得到里德伯常量的表達式：。
解釋光譜現象
奧格·玻爾原子結構軌道理論能夠解釋氫原子光譜。光譜不連續性正來自原子中電子能量的不連續性。氨原子在正常狀態總是處于能量最低的基態，當原子受到光照射或放電等作用時，吸收能量，原子中的電子跳到能量較高的激發態。原子處于這種激發態總是不穩定的，總是傾向于回到能級較低的軌道。當電子由能量較高的各軌道跳回到能量較低的各軌道時，放出能量面成為不同頻率的光，因而產生許多系列的譜線。尼爾斯·玻爾認為，氨光譜可見光區各譜線（巴耳末系）的產生是由于電子由能級較高的軌道跳回到n=2的軌道放出輻射能的結果。他對這些譜線的波長進行計算，計算值與實驗值十分吻合。
解釋元素周期表的性質
1869年3月1日，俄羅斯帝國化學家德米特里·門捷列夫（Dmitri Mendeleev）總結發表第一代元素周期表(periodic table of the elements)。元素周期表是周期律的表現形式。元素周期律的發現，證明各種化學元素、各種不同原子之間并不是彼此孤立，而是有深刻的內在聯系。原子結構理論的形成深刻揭示了周期律的內在因素。第一個對周期表給予物理解釋的是尼爾斯·玻爾，他在1916年至1918年期間把元素按電子組態的周期性排列成表，假定原子可以認為是電子被逐個俘獲并被束縛而建立起來的。猜測原子的每一個定態軌道上只能容納有限個電子，并準確預言了72號元素的存在，并預測了它的性質，有效地解釋了化學元素周期表的意義。在接下來的一些列實驗中，科學家們進行了深入的量子化學研究，解決了核外電子運動狀態的描述和核外電子的排布問題，從而真正解釋了元素性質的周期性變化，即由于元素的原子的電子層結構有周期性變化導致元素性質的周期性變化。
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