從1869年德國科學家希托夫發現陰極射線以後，克魯克斯、赫茲、勒納、湯姆遜等壹大批人科學家研究了陰極射線，歷時二十余年。最終，湯姆遜（Joseph John Thomson）發現了電子的存在(請瀏覽科技園地“神秘的綠色熒光”)。通常情況下，原子是不帶電的，既然從原子中能跑出比它質量小1700倍的帶負電電子來，這說明原子內部還有結構，也說明原子裏還存在帶正電的東西，它們應和電子所帶的負電中和，使原子呈中性。
原子中除電子外還有什麽東西? 電子是怎麽待在原子裏的? 原子中什麽東西帶正電荷? 正電荷是如何分布的? 帶負電的電子和帶正電的東西是怎樣相互作用的? 壹大堆新問題擺在物理學家面前。根據科學實踐和當時的實驗觀測結果，物理學家發揮了他們豐富的想象力，提出了各種不同的原子模型。
行星結構原子模型
1901年法國物理學家佩蘭（Jean Baptiste Perrin，1870-1942）（左圖）提出的結構模型，認為原子的中心是壹些帶正電的粒子，外圍是壹些繞轉著的電子，電子繞轉的周期對應於原子發射的光譜線頻率，最外層的電子拋出就發射陰極射線。
中性原子模型
1902年德國物理學家勒納德（Philipp Edward Anton Lenard，1862—1947）（右圖）提出了中性微粒動力子模型。勒納德早期的觀察表明，陰極射線能通過真空管內鋁窗而至管外。根據這種觀察，他在1903年以吸收的實驗證明高速的陰極射線能通過數千個原子。按照當時盛行的半唯物主義者的看法，原子的大部分體積是空無所有的空間，而剛性物質大約僅為其全部的10－9（即十萬萬分之壹）。勒納德設想“剛性物質”是散處於原子內部空間裏的若幹陽電和陰電的合成體。
實心帶電球原子模型
英國著名物理學家、發明家開爾文(Lord Kelvin，1824～1907 )（左圖）原名W.湯姆孫（William Thomson），由於裝設第壹條大西洋海底電纜有功，英政府於1866年封他為爵士，並於1892年晉升為開爾文勛爵，開始用開爾文這個名字。開爾文研究範圍廣泛，在熱學、電磁學、流體力學、光學、地球物理、數學、工程應用等方面都做出了貢獻。他壹生發表論文多達600余篇，取得70種發明專利，他在當時科學界享有極高的名望。開爾文1902年提出了實心帶電球原子模型，就是把原子看成是均勻帶正電的球體，裏面埋藏著帶負電的電子，正常狀態下處於靜電平衡。這個模型後由J.J.湯姆孫加以發展，後來通稱湯姆孫原子模型。
葡萄幹蛋糕模型
湯姆遜（Joseph John Thomson，1856-1940）（右圖）繼續進行更有系統的研究，嘗試來描繪原子結構。湯姆遜以為原子含有壹個均勻的陽電球，若幹陰性電子在這個球體內運行。他按照邁耶爾（Alfred Mayer）關於浮置磁體平衡的研究證明，如果電子的數目不超過某壹限度，則這些運行的電子所成的壹個環必能穩定。如果電子的數目超過這壹限度，則將列成兩環，如此類捱以至多環。這樣，電子的增多就造成了結構上呈周期的相似性，而門得列耶夫周期表中物理性質和化學性質的重復再現，或許也可得著解釋了。
湯姆遜提出的這個模型，電子分布在球體中很有點像葡萄幹點綴在壹塊蛋糕裏，很多人把湯姆遜的原子模型稱為“葡萄幹蛋糕模型”。它不僅能解釋原子為什麽是電中性的，電子在原子裏是怎樣分布的，而且還能解釋陰極射線現象和金屬在紫外線的照射下能發出電子的現象。而且根據這個模型還能估算出原子的大小約10-8厘米，這是件了不起的事情，正由於湯姆遜模型能解釋當時很多的實驗事實，所以很容易被許多物理學家所接受。
土星模型
日本物理學家長岡半太郎(Nagaoka Hantaro，1865-1950)1903年12月5日在東京數學物理學會上口頭發表，並於1904年分別在日、英、德的雜誌上刊登了《說明線狀和帶狀光譜及放射性現象的原子內的電子運動》的論文。他批評了湯姆生的模型，認為正負電不能相互滲透，提出壹種他稱之為“土星模型”的結構——即圍繞帶正電的核心有電子環轉動的原子模型。壹個大質量的帶正電的球，外圍有壹圈等間隔分布著的電子以同樣的角速度做圓周運動。電子的徑向振動發射線光譜，垂直於環面的振動則發射帶光譜，環上的電子飛出是β射線，中心球的正電粒子飛出是α射線。
這個土星式模型對他後來建立原子有核模型很有影響。1905年他從α粒子的電荷質量比值的測量等實驗結果分析，α粒子就是氦離子。
1908年，瑞士科學家裏茲（Leeds）提出磁原子模型。
他們的模型在壹定程度上都能解釋當時的壹些實驗事實，但不能解釋以後出現的很多新的實驗結果，所以都沒有得到進壹步的發展。數年後，湯姆遜的“葡萄幹蛋糕模型”被自己的學生盧瑟福推翻了。
玻爾模型
盧瑟福的理論吸引了壹位來自丹麥的年輕人，他的名字叫尼·玻爾(Niels Bohr，1885-1962)（左圖），在盧瑟福模型的基礎上，他提出了電子在核外的量子化軌道，解決了原子結構的穩定性問題，描繪出了完整而令人信服的原子結構學說。
玻爾出生在哥本哈根的壹個教授家庭，1911年獲哥本哈根大學博士學位。1912年3-7月曾在盧瑟福的實驗室進修，在這期間孕育了他的原子理論。玻爾首先把普朗克的量子假說推廣到原子內部的能量，來解決盧瑟福原子模型在穩定性方面的困難，假定原子只能通過分立的能量子來改變它的能量，即原子只能處在分立的定態之中，而且最低的定態就是原子的正常態。接著他在友人漢森的啟發下從光譜線的組合定律達到定態躍遷的概念，他在1913年7、9和11月發表了長篇論文《論原子構造和分子構造》的三個部分。
玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像：電子在壹些特定的可能軌道上繞核作圓周運動，離核愈遠能量愈高；可能的軌道由電子的角動量必須是 h/2π的整數倍決定；當電子在這些可能的軌道上運動時原子不發射也不吸收能量，只有當電子從壹個軌道躍遷到另壹個軌道時原子才發射或吸收能量，而且發射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關系由 E＝hν給出。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。
玻爾的理論大大擴展了量子論的影響，加速了量子論的發展。1915年，德國物理學家索末菲（Arnold Sommerfeld，1868-1951）把玻爾的原子理論推廣到包括橢圓軌道，並考慮了電子的質量隨其速度而變化的狹義相對論效應，導出光譜的精細結構同實驗相符。
1916年，愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）從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，導出了普朗克輻射定律（左圖為玻爾和愛因斯坦）。愛因斯坦的這壹工作綜合了量子論第壹階段的成就，把普朗克、愛因斯坦、玻爾三人的工作結合成壹個整體。