Eksperimentalne činjenice o atomima, koje su bile poznate početkom XX vijeka nedvosmisleno su ukazivale da i atom ima svoju strukturu, tj. sastoji se od nekih još elementarnijih čestica. Prema Dž. Dž. Tomsonu, atom je kuglica ravnomjerno pozitivno naelektrisana po cijeloj zapremini, unutar koje se nalaze elektroni. Ako atom nije u pobuđenom stanju, elektroni miruju, a kada se atom pobudi, elektroni počinju da osciluju i pri tome emituju elektromagnetne talase. Naravno, takav model je trebalo i eksperimentalno provjeriti. Eksperiment je izveo Radeford 1909. godine uz pomoć Hansa Gajgera (Hans Geiger, 1882-1945) i Ernesta Marsdena (Ernst Marsden, 1889-1970). Oni su proučavali difuzno rasijanje alfa čestica prilikom prolaska kroz metalnu foliju. Konstatovali su da alfa čestice skreću od prvobitnog pravca za samo dva stepena. Prost račun je pokazao da bi za ovako mala skretanja u atomu trebala da vladaju veoma jaka električna polja, veća od 200000 V/cm. Tada je Radeford pisao: "Sjećam se da mi je poslije nekoliko dana došao veoma uzbuđeni Gajger rekavši: - Uspjeli smo da zapazimo nekoliko alfa čestica rasijanih nazad... - To je bio najnevjerovatniji događaj u mom životu. To je bilo toliko nevjerovatno, kao kada bi se granata od 15 cola, ispaljena na list papira, odbila od njega prema strelcu". Na osnovu ovog eksperimenta, Radeford je došao na ideju da atom mora imati veliko pozitivno naelektrisano jezgro, u kome je koncentrisana, praktično, sva masa atoma, a da oko jezgra kruže elektroni. Znači, prema Radefordu, atom je sličan Sunčevom sistemu, pa se zbog toga ovaj model atoma naziva planetarnim modelom atoma.

Fizičari su Radefordov planetarni model atoma primili sa rezervom. prema zakonima elektrodinamike, ovakav sistem ne može da postoji, pošto po njenim zakonima, elektron koji se kreće oko jezgra emituje elektromagnetske talase, a time gubi energiju, što znači da bi takav elektron poslije nekog vremena pao na jezgro. Fizičari su se sada našli u situaciji da prihvate ili elektrodinamiku ili planetarni model. Izlaz iz ove situacije ubrzo je našao Nils Bor (Niels Bohr, 1855-1962) 1913. godine, kada je predložio poznatu teoriju vodonikovog atoma. koristeći se potrebnim principima klasične fizike, uz pomoć nekoliko neklasičnih hipoteza, Bor je napravio začuđujuće uspješu teoriju vodonikovog atoma. Prema Boru, u atomu postoje orbite sa kojih elektron ne zrači. Do zračenja dolazi samo prelaskom sa jedne stacionarne orbite na drugu. Slaganje rezultata Borove teorije i eksperimentalnih podataka dobijenih proučavanjem spektra vodonika, bilo je veoma dobro. Za potpuno objašnjenje spektra atoma nije bio dovoljan samo glavni kvantni broj koji je uveo Bor. Tako su uvedena još tri kvantna broja - orbitalni, magnetski i spinski.

Ključ za objašnjenje periodnog sistema hemijskih elemenata dao je 1924. godine V. Pauli (Wolfgang Pauli, 1900-1958). Te iste godine Pauli je postavio hipotezu o spinu elektrona i formulisao je princip, prema kome se u atomu ne mogu nalaziti dva elektrona sa jednakim svim kvantnim brojevima.

Objašnjenje atomskih spektara dala je kvantna mehanika, koja je zasnovana između 1924-1926. godine. Prvi korak u formulisanju nove teorije učinio je Luj de Brolji (Louis de Broglie, 1892), koji 1924. godine ističe pretpostavku da svaka čestica ima dualističku korpuskularno-talasnu prirodu. uzimajući u obzir i talasnu prirodu čestice, poznati fizičari Hajzenberg (Werner Heisenberg, 1901-1976), Šredinger (Erwin Shrödinger, 1887-1961), Dirak (Paul Adrien Maurice Dirac, 1902), Born (Max Born, 1882-1970), Pauli, zasnivaju kvantnu mehaniku kojom se na zadovoljavajući način opisuje ponašanje i kretanje mikročestice.