O desenvolvimento das idéias sobre a estrutura atômica fez com que os cientistas procurassem aplica-lás a outros fenômenos da física. Uma das abordagens da estrutura e do comportamento atômico compreende a observação da luz emitida pelos átomos quando aquecidos até a incandescência. No caso de um átomo gasoso, como o hidrogênio, a luz é emitida quando uma corrente elétrica atravessa um tubo contendo hidrogênio a baixíssima pressão, num regime próximo ao vácuo. Quando analisado ao espectrômetro, o aspecto do hidrogênio revela-se como uma série de linhas de diferentes cores, e não como um continuum, como o espectro solar. É como se o hidrogênio pudesse emitir apenas algumas poucas cores, mas não todo o leque cromático. Buscando explicar o fenômeno, o físico alemão Max Plank sugeriu, em 1900, que a luz (e outras formas de energia) não é emitida a partir dos átomos como o fluxo contínuo, mas sobre a forma de "pacotes" distintos, que denominou quanta.
Além disso, cada quantum luminoso (conhecido como fóton) revela algo sobre o comportamento dos elétrons que orbitam o átomo em questão. Os elétrons estão confinados a determinados níveis de energia. Quando a energia - sob a forma de eletricidade ou calor - é fornecida a um átomo, alguns de seus elétrons alcançam níveis energéticos mais elevados; na terminologia moderna, diz-se então que os elétrons são "excitados". Mas quando a energia estimulante é removida, aqueles mesmos elétrons "saltam" de volta para seus patamares energéticos originais, liberando assim a energia excedente como fótons (quanta) de luz. A nova teoria quântica foi abraçada pelo físico dinamarquês Niels Bohr, que propôs, em 1913, que os vários níveis de energia dos elétrons de um átomo correspondem a uma série de órbitas concêntricas possíveis ao redor de um núcleo atômico. A energia quântica toma parte quando os elétrons movem-se através das órbitas.