Електрони в атомі можуть перебувати тільки на дозволених орбітах.
Коли Джон Дальтон уперше в історії сучасної науки запропонував атомну теорію будови речовини, атоми представлялися йому неподільними, на зразок мікроскопічних більярдних куль. Однак протягом усього XIX століття ставало дедалі очевидніше, що така модель неприйнятна. Поворотною точкою стало відкриття електрона Дж. Дж. Томсоном у 1897 році, з якої випливало, що атом складається з окремих частинок - пряме свідчення проти його неподільності. Останнім цвяхом у кришку труни неподільного атома стало відкриття в 1911 році атомного ядра (див. Досвід Резерфорда). Після цих відкриттів стало ясно, що атом не просто ділимо, але що він ще й має дискретною структурою: складається з масивного, позитивно зарядженого центрального ядра і рухаються по орбітах навколо нього легенів, негативно заряджених електронів.
Але з цієї простої планетарної моделлю атома відразу виникли проблеми. Перш за все, згідно фізичним законам того часу, такий атом не міг би проіснувати довше частки миті - на наше щастя, ми маємо всі підстави стверджувати, що цей факт досвідом не підтверджується. Аргументація була така: відповідно до законів руху Ньютона, електрон, що знаходиться на орбіті, рухається з прискоренням. Отже, відповідно до рівнянь Максвелла, він повинен випромінювати електромагнітні хвилі і, як наслідок, втрачати енергію (в силу закону збереження енергії; см. Основний закон термодинаміки) і незабаром зійти з орбіти і впасти на ядро. Це стандартна задачка з фізики для студентів-першокурсників, і будь-який з них легко доведе шляхом таких міркувань, що планетарний атом не проіснує і секунди. Очевидно, щось було не так у цій простій моделі будови атома, раз реальні атоми, що оточують нас, проіснували мільярди років.
Вирішити цю проблему і направити фізиків по вірному шляху розуміння атомної структури вдалося молодому датському теоретику Нільса Бора, нещодавно прибув на стажування до Англії після захисту докторської дисертації у себе на батьківщині. За відправну точку Бор прийняв нові постулати квантової механіки, згідно з якими на субатомному рівні енергія випускається виключно порціями, які отримали назву «кванти». Німецький фізик Макс Планк скористався положенням про те, що атоми випромінюють світло окремими частками (пізніше Альберт Ейнштейн назвав їх «фотони»), для вирішення застарілої проблеми випромінювання чорного тіла. Використовуючи концепцію фотонів, Альберт Ейнштейн теоретично пояснив фотоелектричний ефект. За свої роботи і Планк, і Ейнштейн отримали по Нобелівської премії.
Бор розвинув квантову теорію ще на крок і застосував її до стану електронів на атомних орбітах. Говорячи науковою мовою, він припустив, що кутовий момент електрона (див. Досвід Штерна-Герлаха) квантуется. Далі він показав, що в цьому випадку електрон не може перебувати на довільному видаленні від атомного ядра, а може бути лише на ряді фіксованих орбіт, що одержали назву «дозволені орбіти». Електрони, що знаходяться на таких орбітах, не можуть випромінювати електромагнітні хвилі довільній інтенсивності і частоти, інакше їм, швидше за все, довелося б перейти на більш низьку, недозволену орбіту. Тому вони і утримуються на своїй вищій орбіті, подібно літаку в аеропорту відправлення, коли аеропорт призначення закритий унаслідок нельотну погоду.
Однак електрони можуть переходити на іншу дозволену орбіту. Як і більшість явищ у світі квантової механіки, цей процес не так просто уявити наочно. Електрон просто зникає з однієї орбіти і матеріалізується на інший, не перетинаючи простору між ними. Цей ефект назвали «квантовим стрибком», або «квантовим стрибком». Пізніше цей термін здобув широку популярність і ввійшов у наш лексикон зі значенням «раптове, стрімке поліпшення» («Справжній квантовий стрибок у технології виробництва наручних годинників!"). Якщо електрон перескакує на більш низьку орбіту, він втрачає енергію і, відповідно, випускає квант світла - фотон фіксованою енергії з фіксованою довжиною хвилі. На око ми розрізняємо фотони різних енергій за кольором - розпечена на вогні мідний дріт світиться синім, а натрієва лампа вуличного освітлення - жовтим. Для переходу на більш високу орбіту електрон повинен, відповідно, поглинути фотон.
У картині атома по Бору, таким чином, електрони переходять вниз і вгору по орбітах дискретними стрибками - з одного дозволеної орбіти на іншу, подібно до того, як ми піднімаємося і спускаємося по сходинках сходів. Кожен стрибок обов'язково супроводжується випусканням або поглинанням кванта енергії електромагнітного випромінювання, який ми називаємо фотоном.
З часом інтуїтивна гіпотеза Бора поступилася місцем суворої систематичної формулюванні у рамках законів квантової механіки і, зокрема, концепції двоїстої природи елементарних частинок - корпускулярно-хвильовий (див. Принцип додатковості). Сьогодні електрони представляються нам не мікроскопічними планетами, що обертаються навколо атомного ядра, а хвилями ймовірності, що плескає всередині своїх орбіт - подібно припливи і відпливи в тороідальному басейні - і підкоряються рівнянню Шредінгера. Сучасні фізики, як само собою зрозуміле, розраховують характеристики цих хвиль для самих складних за структурою атомів і використовують їх для пояснення властивостей і поведінки цих атомів. Однак основну картину всієї сучасної квантової механіки намалював у своєму великому прозрінні Нільс Бор - у далекому тепер 1913 році.