Planos não semelhantes aos planetas que orbitam o Sol, os electrões não podem estar a qualquer distância arbitrária do núcleo; eles só podem existir em certos locais específicos chamados órbitas permitidas. Esta propriedade, primeiro explicada pelo físico dinamarquês Niels Bohr em 1913, é outro resultado da mecânica quântica especificamente, a exigência de que o momento angular de um elétron em órbita, como tudo no mundo quântico, venha em feixes discretos chamados quanta.
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No átomo de Bohr elétrons só podem ser encontrados em órbitas permitidas, e estas órbitas permitidas estão em diferentes energias. As órbitas são análogas a um conjunto de escadas em que a energia potencial gravitacional é diferente para cada passo e em que uma bola pode ser encontrada em qualquer passo mas nunca entre.
As leis da mecânica quântica descrevem o processo pelo qual os elétrons podem se mover de uma órbita permitida, ou nível de energia, para outro. Como em muitos processos no mundo quântico, este processo é impossível de ser visualizado. Um elétron desaparece da órbita em que está localizado e reaparece em sua nova localização sem nunca aparecer em nenhum lugar no meio. Este processo é chamado salto quântico ou salto quântico, e não tem análogo no mundo macroscópico.
Porque órbitas diferentes têm energias diferentes, sempre que ocorre um salto quântico, a energia possuída pelo elétron será diferente após o salto. Por exemplo, se um elétron saltar de um nível de energia mais alto para um mais baixo, a energia perdida terá que ir a algum lugar e de fato será emitida pelo átomo em um feixe de radiação eletromagnética. Este feixe é conhecido como um fóton, e esta emissão de fótons com mudança de nível de energia é o processo pelo qual os átomos emitem luz. Ver também laser.
Da mesma forma, se a energia é adicionada a um átomo, um elétron pode usar essa energia para dar um salto quântico de uma órbita inferior para uma órbita superior. Esta energia pode ser fornecida de muitas maneiras. Uma forma comum é o átomo absorver um fotão com a frequência certa. Por exemplo, quando a luz branca brilha sobre um átomo, ele absorve seletivamente as frequências correspondentes às diferenças de energia entre as órbitas permitidas.
Cada elemento tem um conjunto único de níveis de energia, e assim as frequências em que ele absorve e emite luz agem como uma espécie de impressão digital, identificando o elemento em particular. Esta propriedade dos átomos deu origem à espectroscopia, uma ciência dedicada a identificar átomos e moléculas pelo tipo de radiação que emitem ou absorvem.
Esta imagem do átomo, com elétrons movendo-se para cima e para baixo entre as órbitas permitidas, acompanhada da absorção ou emissão de energia, contém as características essenciais do modelo atômico de Bohr, pelo qual Bohr recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1922. Seu modelo básico não funciona bem na explicação dos detalhes da estrutura dos átomos mais complicada do que o hidrogênio. Isto requer a introdução da mecânica quântica. Na mecânica quântica cada elétron em órbita é representado por uma expressão matemática conhecida como função de onda – algo como uma corda de guitarra vibratória disposta ao longo do caminho da órbita do elétron. Estas formas de onda são chamadas orbitais. Veja também mecânica quântica: A teoria do átomo de Bohr.