1909年，卢瑟福在英国曼彻斯特大学和他的学生Johannes Geiger及Emest Marsden在做用α粒子轰击薄金箔时，发现大部分的α粒子都能通过金箔，但有1／8 000的粒子居然被反弹回来。他根据实验事实，提出了原子核模型（Nuclear Model），认为原子大部分空间是空的，所有正电荷和原子质量都集中在原子中心的一个非常小的体积内，即原子核；电子围绕原子核旋转。1911年3月，卢瑟福在曼彻斯特文学与哲学学会的会议上宣布他的意外发现。这就是著名的卢瑟福的金箔实验，如图2－7所示。
图2－7 卢瑟福的金箔实验示意图
卢瑟福的原子核模型也存在无法解决的困难：因为绕核旋转的电子具有加速度，按照经典动力学，带点粒子加速运动会放出能量，这样，电子的轨道半径会越来越小，最后落在原子核上。而实际上，原子是稳定的。卢瑟福的学生，丹麦物理学家玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885—1962）提出了太阳系模型，成功地解决了卢瑟福模型的困难，如图2－8所示。
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图2－8 玻尔半径的提出
（a）波尔；（b）太阳系模型
在普朗克和爱因斯坦的量子化概念以及里德伯实验公式的启发下，玻尔将量子概念应用于卢瑟福原子模型中，将原子结构和光谱联系起来，提出了玻尔模型（Bohr Model）。其基本思想是：氢原子中的一个电子绕核做圆周运动，电子只能处于一些分立的“允许轨道”（allowed orbits）上；每一个允许轨道对应一个确定的分立能级En；电子在这些确定的轨道上运动时不会损失能量；当电子从一个“允许轨道”跃迁到另一个“允许轨道”时，会以电磁波的形式放出或吸收能量，电磁波的频率由两个轨道的能级差来确定。
玻尔模型对于氢原子光谱的解释：氢原子光谱的产生是由于氢原子对外发射光能，这表明激发使原子中的电子从高能量轨道掉落入低能量轨道。玻尔第一个将量子概念用到原子有核模型中，成功地给出了氢原子结构的描述，揭开了令人费解的氢光谱之谜，对量子论和原子物理的发展做出了重大贡献。1922年，玻尔荣获诺贝尔物理学奖。
玻尔模型将经典力学的规律应用于微观的电子，不可避免地存在一系列困难。根据经典动力学，做加速运动的电子会辐射出电磁波，致使能量不断损失，而玻尔模型无法解释为什么处于定态的电子不发出电磁辐射。玻尔模型对跃迁的过程描述含糊。因此，玻尔模型提出后，遭到了包括卢瑟福、薛定谔在内的诸多物理学家的质疑。玻尔曾经的导师、剑桥大学的J.J.汤姆逊拒绝对其发表评论。此外，玻尔模型无法揭示氢原子光谱的强度和精细结构，也无法解释稍微复杂一些的氦原子的光谱，以及更复杂原子的光谱。因此，玻尔在领取1922年诺贝尔物理学奖时称：“这一理论还是十分初步的，许多基本问题还有待解决。”玻尔模型引入了量子化的条件，但它仍然是一个“半经典半量子”的模型。
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