A Nap körül keringő bolygókkal ellentétben az elektronok nem lehetnek tetszőleges távolságban az atommagtól; csak bizonyos meghatározott helyeken, úgynevezett megengedett pályákon létezhetnek. Ez a tulajdonság, amelyet először Niels Bohr dán fizikus magyarázott meg 1913-ban, a kvantummechanika egy másik eredménye – pontosabban az a követelmény, hogy a pályán keringő elektron szögnyomatéka, mint minden más a kvantumvilágban, diszkrét kötegekben, úgynevezett kvantumokban érkezik.
Encyclopædia Britannica, Inc.
A Bohr-atomban az elektronok csak megengedett pályákon találhatók, és ezek a megengedett pályák különböző energiájúak. A pályák analógok egy lépcsősorral, amelyben a gravitációs potenciális energia minden lépcsőfoknál más és más, és amelyben egy golyó bármelyik lépcsőfokon megtalálható, de a kettő között soha.
A kvantummechanika törvényei leírják azt a folyamatot, amelynek során az elektronok egyik megengedett pályáról, vagy energiaszintről a másikra léphetnek. Mint sok más folyamatot a kvantumvilágban, ezt a folyamatot is lehetetlen szemléltetni. Egy elektron eltűnik arról a pályáról, amelyen éppen tartózkodik, és újra megjelenik az új helyén anélkül, hogy a kettő között valahol is megjelenne. Ezt a folyamatot kvantumugrásnak vagy kvantumugrásnak nevezik, és nincs analógja a makroszkopikus világban.
Mert mivel a különböző pályák különböző energiával rendelkeznek, valahányszor kvantumugrás történik, az elektron által birtokolt energia az ugrás után más lesz. Ha például egy elektron egy magasabb energiaszintről egy alacsonyabb energiaszintre ugrik, az elveszett energiának el kell mennie valahová, és valójában az atom elektromágneses sugárzás kötegében bocsátja ki. Ezt a köteget fotonnak nevezzük, és az energiaszintek változásával járó fotonok kibocsátása az a folyamat, amelynek révén az atomok fényt bocsátanak ki. Lásd még lézer.
Hasonlóképpen, ha energiát adunk egy atomhoz, az elektron ezt az energiát felhasználhatja arra, hogy kvantumugrást hajtson végre egy alacsonyabb pályáról egy magasabbra. Ezt az energiát sokféleképpen lehet szolgáltatni. Az egyik gyakori módja, hogy az atom elnyel egy éppen megfelelő frekvenciájú fotont. Ha például fehér fényt bocsátunk egy atomra, akkor az szelektíven elnyeli a megengedett pályák közötti energiakülönbségeknek megfelelő frekvenciákat.
Minden elemnek egyedi energiaszintjei vannak, és így a frekvenciák, amelyeken elnyeli és kibocsátja a fényt, egyfajta ujjlenyomatként működnek, azonosítva az adott elemet. Az atomoknak ez a tulajdonsága hívta életre a spektroszkópiát, azt a tudományt, amely az atomok és molekulák azonosításával foglalkozik az általuk kibocsátott vagy elnyelt sugárzás alapján.
Az atomnak ez a képe, amelyben az elektronok fel és le mozognak a megengedett pályák között, amit az energia elnyelése vagy kibocsátása kísér, tartalmazza a Bohr-féle atommodell alapvető jellemzőit, amelyért Bohr 1922-ben fizikai Nobel-díjat kapott. Alapmodellje azonban nem alkalmas a hidrogénnél bonyolultabb atomok szerkezetének részleteinek magyarázatára. Ehhez a kvantummechanika bevezetésére van szükség. A kvantummechanikában minden egyes keringő elektront egy hullámfüggvénynek nevezett matematikai kifejezéssel ábrázolnak – ez olyasmi, mint egy vibráló gitárhúr, amely az elektron pályája mentén helyezkedik el. Ezeket a hullámformákat orbitáloknak nevezzük. Lásd még: kvantummechanika: Bohr atomelmélete.