自从1897年汤姆逊发现电子是各种原子的共同组分以来，人们就开始探索原子的结构，建立了各种原子结构模型。
卢瑟福最初并没有明确地提出原子的有核模型，他只是根据粒子大角度散射的实验结果判定，原子内部的正电荷必定集中在中心位置。只有这样，才能解释为什么比电子重几十倍的带正电荷的粒子会以很大的概率被原子反弹。但是，从麦克斯韦的经典电磁理论来看，如果正电荷集中在原子中心，带负电的电子就不能稳定地在原子的外层轨道上运动，也就是说，在这种情况下，电子在绕中心运动的时候就应该产生光辐射而消耗能量，从而缩短其旋转周期，其旋转轨道就会越来越小。于是，在经历一条螺线轨迹之后，电子最终会落在原子核上，整个原子就会塌陷，所对应的光谱应该是一个连续光谱。按照卢瑟福的观点，氢原子是一个体积极小的带有单位正电荷的核和一个带有负电荷并在核周围的轨道上运动的电子组成的。这显然不符合经典理论的稳定性要求。卢瑟福的有核原子模型一提出就遇到了这么严重的问题，那么究竟是卢瑟福的模型错了，还是麦克斯韦的经典理论在此不适用了呢？
丹麦物理学家玻尔对这项研究很有兴趣，他既钦佩根据实验结果能大胆地做出原子有核这种判断的卢瑟福，又了解该模型所面临的难以克服的困难。于是他表示愿意到曼彻斯特大学做访问学者，卢瑟福欣然同意。1912年春天，玻尔到卢瑟福实验室工作了4个月，参加了a粒子散射的实验工作，但他的主要工作还是理论研究。玻尔坚信有核原子模型是符合客观事实的，而麦克斯韦的电磁理论在此并不太适用。天才就是突然间萌生一个能对某一领域做出解释的新想法，或是突然间意识到一个新现象即将出现的预知感。此刻，玻尔认为要解决原子的稳定性问题，应该采用量子假说。早在他做博士论文过程中初次受到普朗克的量子论的启发时，他就认识到处理原子尺度的问题，经典理论往往会得到与实际不符的结论。现在他进一步体会到，要描述原子现象，就必须对经典概念进行一番彻底的改造。
其实，在玻尔之前，已有一些科学家想到过用量子假说来描述原子结构。奥地利的哈斯曾就此做了最初尝试，但他的结果是十分粗略的。后来，英国的尼科尔森也试图把量子假说中的普朗克常数引入原子模型，但他只是照搬了普朗克的振子概念，认为辐射的光频率就是振子的振动频率，即原子以什么频率振动就以什么频率辐射。所以他对原子光谱的解释是不可能成功的。玻尔仔细分析了这些设想以及其中存在的问题，力图能为有核原子模型的稳定性问题找出解决办法。
1913年初，玻尔已返回哥本哈根。正当他冥思苦想之际，一个学生朋友汉森问他准备用这个模型对光谱作什么样的解释。当玻尔说对这个问题他什么也说不上来时，汉森向他介绍了氢光谱的巴尔末公式，这是瑞士的一名中学数学教师巴尔末从氢光谱线的频率中总结出来的。汉森建议玻尔认真考虑这个事实。另外，玻尔还从德国科学家斯塔克有关价电子跃迁产生辐射的思想中得到启发。许多年以后，玻尔回忆说：“当我看到巴尔末公式时，一切都豁然开朗了！”
于是，光谱系、量子假说、原子核式模型这三方面的问题在玻尔睿智的大脑中有机地结合在一起，终于得出了明确的答案。就在1913年，玻尔在卢瑟福核式原子模型的基础上运用量子化概念，提出了定态跃迁原子模型理论。他假设绕核运动的电子有许多可能的轨道，电子不能从一个轨道“平滑”
地进入另一个轨道，而只能“跃迁”过去。当电子绕原子核在轨道上旋转时，并不会像经典电磁理论预言的那样发光，只有当电子从一个较高能量状态的轨道跃迁到另一个较低能量状态的轨道时才发光。这样辐射出来的能量就是一个量子。如果电子原来就处在最低能量状态的轨道，那么它就不会跃迁了。除非外面给它能量，使它从最低能量状态轨道跃迁到较高能量状态的轨道。这时，它不但不发光，相反还要吸收特定能量的光。在玻尔的原子模型中，轨道是“量子化”的，电子在同一条轨道上运动时是不会失去能量的，因此原子也就不会塌陷，并且，原子的光谱也不会是连续谱。
玻尔把论文原稿从丹麦寄给卢瑟福。根据常识，卢瑟福马上就发现了玻尔理论中的一个严重问题：即一个电子必须事先知道它要跃迁到哪一条轨道。这是多么不可思议！另外，卢瑟福在给玻尔的信中曾随意地提到，他认为论文篇幅有些长，正准备进行压缩。没想到玻尔马上乘船来到了曼彻斯特大学，针对卢瑟福的意见逐条进行了辩解，直至获胜为止。
卢瑟福不仅比玻尔年长而且学术地位也很高，而玻尔本是一位举止斯文、态度温和的学者，一向对卢瑟福很有礼貌也十分尊重，但是玻尔为了捍卫原子理论所表现出的固执却令卢瑟福感到出乎意料！当然，尽管认为玻尔理论尚不成熟，卢瑟福还是把它交给了《哲学杂志》，这就足以表明卢瑟福认为这一理论是有价值的。在瑞士，苏黎世的施特恩和劳厄在研究了玻尔的论文之后说，如果该论文竟然会被意外地证明是正确的话，他们从此就不再搞物理学。而在德国的格丁根则与之相反，科学家德拜和索末菲热烈赞同玻尔的论文，索末菲还明确地对法国科学家布里渊说，这是一篇具有历史意义的杰作。
当听到亥维塞讲述玻尔的工作时，爱因斯坦也同样兴致勃勃。
玻尔的原子理论解释了氢光谱的频率规律，阐明了光谱的发射和吸收，使量子理论取得了重大进展；另外，玻尔的理沦还在预言一些新谱系特别是氦离子光谱方面显示出特有的效用。可以说，玻尔理论是成功的。但是，玻尔本人却意识到它存在的严重不足之处，他知道这充其量只能代表一种完备的理论被发现之前的一种过渡。正如他自己在获得诺贝尔物理学奖的演说中提到的：“事实上，我的努力在于说明原子理论的发展如何对广阔的研究领域的分类做出了贡献，原子理论如何为完成这个分类指明了道路。然而，似乎无须强调，原子理论还处在很初级的阶段，还有很多具有根本性的问题尚待解决。”
玻尔的原子理论并没有完全摆脱经典理论，比如，其中所保留的“轨道”就是个经典概念，它只是一种半经典半量子化的理论，还很不完善。但是，这却迈出了从经典理论向量子理论发展的极为关键的一步。而且，这一理论将光谱学、量子假说和原子核式模型这几个相距较远的物理学研究领域联系在一起，为现代物理学指明了正确的研究方向，是原子理论和量子理论发展史中的一个重要里程碑。可以说，它对物理学发展的价值甚至超过了这一理论本身。玻尔也因为这项科学成就而获得了1922年的诺贝尔物理学奖。
由于理论和实验方面的发展，玻尔的原子理论具备了其产生的客观条件。然而在同样的物理背景之下，只有玻尔是杰出的！他的独到之处在于，他能够全面地继承前人的结果，正确地加以综合，特别是在旧理论和新的实验事实之间，敢于肯定实验事实，突破旧观念提出新见解，从而获得了成功。玻尔也由于在理论物理学前沿的出色成就，而在国际物理学界赢得了崇高的声誉。
在玻尔理论提出之初，人们带着怀疑的目光看待这新奇的原子理论，怀疑它的正确性。然而在1914年，科学家弗兰克和赫兹却以令人信服的实验证明了玻尔预言的原子稳定态的存在，这是当时除光谱学之外关于原子稳定态存在的最直接、最有说服力的实验证明。
实际上，这时玻尔理论已经诞生。但是由于战争等原因，弗兰克和赫兹对玻尔的新理论并不甚了解，因此他们说他们的实验结果与玻尔新理论不相符。到了1915年，还是玻尔用自己的理论对弗兰克-赫兹实验做出了正确的解释。这样，又经过了玻尔的再诠释，弗兰克-赫兹实验的真正意义才得到充分揭示。而弗兰克和赫兹直到1919年才识得玻尔理论的真谛，表示同意玻尔对他们的实验的正确解释。
弗兰克在他的诺贝尔奖获奖演说末尾谈到：“我占用了大家的时间，叙述了我们所作的一部分工作中的许多错误以及我们在一个科学领域中所走的弯路，而这个领域中的康庄大道已经由玻尔理论所开辟。后来我们认识到玻尔理论的指导意义，一切困难才迎刃而解。我们深知，我们的工作之所以会获得广泛的承认，完全是因为它和普朗克，特别是和玻尔的伟大思想和概念有了联系。”从1919年起，玻尔的远见卓识和诚恳谦和曾经不止一次地震惊和感动了弗兰克。他说，有时甚至是在一种很新的细节概念上，他自以为有所发现，得意地和玻尔一谈，才发现玻尔早就想清楚了。当时许多科学家都把玻尔理论看成科学真理，而玻尔本人却始终能对自己的理论给以恰如其分的评价。这些都给弗兰克留下了深刻的印象，直到晚年，他还保持着对玻尔的“英雄崇拜”。他说，和玻尔那样的人不能在一起待得太久，不然你就会觉得他无所不知而对自己的无能感到灰心丧气。弗兰克的好朋友玻恩就曾提到，在格丁根时，他和当时任格丁根大学教授和第二实验物理学研究所主任的弗兰克常常讨论各种科学概念和实验设想。
有时玻恩发现，一个问题明明几天前就已经讨论清楚了，可弗兰克却迟迟不动手做实验。问他为什么，弗兰克说已经写信去问玻尔了，在收到玻尔的回信之前他不能动手。更值得一提的是，在1933年，为了抗议希特勒反对犹太人，弗兰克公开发表声明辞去教授职务，离开德国去了玻尔所在的哥本哈根。
连弗兰克这么有名的物理学家都对玻尔如此敬重，可见玻尔确实非同小可！
