Till skillnad från planeter som kretsar runt solen kan elektroner inte befinna sig på vilket godtyckligt avstånd som helst från atomkärnan; de kan bara finnas på vissa specifika platser som kallas tillåtna banor. Denna egenskap, som först förklarades av den danske fysikern Niels Bohr 1913, är ett annat resultat av kvantmekaniken – närmare bestämt kravet på att vinkelmomentet hos en elektron i omloppsbana, liksom allt annat i kvantvärlden, kommer i diskreta buntar som kallas kvanter.
Encyclopædia Britannica, Inc.
I Bohr-atomen kan elektroner endast finnas i tillåtna banor, och dessa tillåtna banor har olika energier. Banorna är analoga med en uppsättning trappor där gravitationspotentialenergin är olika för varje trappsteg och där en boll kan hittas på varje trappsteg men aldrig däremellan.
Kvantmekanikens lagar beskriver den process genom vilken elektroner kan förflytta sig från en tillåten bana, eller energinivå, till en annan. Som med många processer i kvantvärlden är denna process omöjlig att visualisera. En elektron försvinner från den omloppsbana där den befinner sig och dyker upp igen på sin nya plats utan att någonsin dyka upp någonstans däremellan. Denna process kallas ett kvantsprång eller kvanthopp, och den har ingen motsvarighet i den makroskopiska världen.
Då olika banor har olika energier, närhelst ett kvanthopp inträffar, kommer den energi som elektronen besitter att vara annorlunda efter hoppet. Om en elektron till exempel hoppar från en högre till en lägre energinivå måste den förlorade energin gå någonstans och kommer i själva verket att avges av atomen i ett knippe elektromagnetisk strålning. Denna bunt är känd som en foton, och denna emission av fotoner med en förändring av energinivåer är den process genom vilken atomer avger ljus. Se även laser.
På samma sätt kan en elektron, om energi tillförs en atom, använda denna energi för att göra ett kvantsprång från en lägre till en högre omloppsbana. Denna energi kan tillföras på många olika sätt. Ett vanligt sätt är att atomen absorberar en foton med precis rätt frekvens. När till exempel vitt ljus lyser på en atom absorberar den selektivt de frekvenser som motsvarar energidifferenserna mellan tillåtna banor.
Varje grundämne har en unik uppsättning energinivåer, och därför fungerar de frekvenser vid vilka den absorberar och avger ljus som ett slags fingeravtryck, som identifierar det särskilda grundämnet. Denna egenskap hos atomer har gett upphov till spektroskopi, en vetenskap som ägnar sig åt att identifiera atomer och molekyler genom den typ av strålning som de avger eller absorberar.
Denna bild av atomen, med elektroner som rör sig upp och ner mellan tillåtna banor och som åtföljs av absorption eller avgivning av energi, innehåller de viktigaste inslagen i Bohrs atommodell, som Bohr fick Nobelpriset i fysik för 1922. Hans grundmodell fungerar dock inte bra när det gäller att förklara detaljerna i strukturen hos atomer som är mer komplicerade än väte. Detta kräver att man inför kvantmekaniken. Inom kvantmekaniken representeras varje elektron i omloppsbana av ett matematiskt uttryck som kallas vågfunktion – ungefär som en vibrerande gitarrsträng som läggs ut längs elektronens bana. Dessa vågformer kallas för banor. Se även kvantmekanik: Bohrs atomteori.