Niels Bohr
Vật lý > Mô hình Bohr

Bài chi tiết: Mô hình Bohr
Tháng 9 năm 1911, Bohr, được hỗ trợ bởi học bổng từ Quỹ Carlsberg, đã đến nước Anh. Đây là nơi cho việc thực hiện nghiên cứu lý thuyết cấu trúc nguyên tử và phân tử tốt nhất vào thời điểm đó. Ông đã gặp J. J. Thomson của phòng thí nghiệm Cavendish và trường đại học Trinity, Cambridge. Ông tham dự các bài giảng về điện từ học của James Jeans và Joseph Larmor, và thực hiện một số nghiên cứu về tia âm cực nhưng không gây ấn tượng với Thomson. Ông có một số thành công hơn với các nhà vật lý trẻ như William Lawrence Bragg người Úc, và Ernest Rutherford người New Zealand, khi ông đưa ra mô hình Rutherford về hạt nhân trung tâm của nguyên tử năm 1911 đã thách thức đến mô hình bánh pudding của Thomson năm 1904. Bohr đã nhận được lời mời từ Rutherford để nghiên cứu hậu tiến sỹ tại đại học Victoria ở Manchester, tại đây Bohr gặp George de Hevesy và Charles Galton Darwin (mà Bohr coi là "người cháu đích thực của Charles Darwin").
Bohr trở lại Đan Mạch tháng 7 năm 1912 để chuẩn bị cho đám cưới của ông, và hai người đã du lịch quanh nước Anh và Scotland trong tuần trăng mật. Khi trở về, ông trở thành privatdocent (tạm dịch: giảng viên) tại đại học Copenhagen, chuyên ngành nhiệt động lực học. Martin Knudsen đặt Bohr ở vị trí docent (tạm dịch: trợ giảng), và được phê chuẩn vào năm 1913, và ông bắt đầu giảng dạy các sinh viên y khoa. Ba bài báo của ông, mà về sau trở thành "bộ ba" nổi tiếng, được đăng trong tạp chí Philosophical Magazine vào tháng 7, tháng 9 và tháng 11 của năm đó. Ông đã áp dụng lý thuyết lượng tử của Max Planck vào mô hình cấu trúc hạt nhân của Rutherford để đưa ra mô hình Bohr của nguyên tử.
Mô hình hành tinh nguyên tử không phải là mới, nhưng cách tiếp cận của Bohr lại là phương pháp mới mẻ. Dựa trên bài báo năm 1912 của Charles Galton Darwin về vai trò của các electron trong tương tác của hạt alpha với hạt nhân nguyên tử, ông đã xây dựng lý thuyết electron chuyển động trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử, với các tính chất hóa học của mỗi nguyên tố được xác định chủ yếu bởi số lượng các electron trên các quỹ đạo ngoài cùng quanh hạt nhân nguyên tử. Ông đưa ra ý tưởng rằng một electron có thể nhảy từ quỹ đạo có năng lượng cao về quỹ đạo có năng lượng thấp hơn, quá trình này phát ra một lượng tử năng lượng rời rạc. Mô hình này trở thành cơ sở cho lý thuyết ngày nay gọi là lý thuyết lượng tử cũ.
Năm 1885, Johann Balmer đi đến công thức xác định các vạch Balmer khi ông miêu tả các vạch quang phổ của một nguyên tử hydro:
với λ là bước sóng hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng và RH là hằng số Rydberg. Công thức Balmer được xác nhận thực nghiệm khi các vạch quang phổ khác được khám phá thêm, nhưng trong vòng 30 năm, không ai có thể giải thích được công thức này. Trong bài báo đầu tiên của bộ ba, Bohr đã suy ra được công thức này từ mô hình của ông:
với me là khối lượng của electron, e là điện tích, h là hằng số Planck và Z là số nguyên tử (bằng 1 cho hydro).
Thử thách đầu tiên của mô hình đó là giải thích các vạch phổ Pickering, những vạch không khớp với công thức của Balmer. Khi Alfred Fowler nêu ra cản trở này, Bohr đã trả lời rằng các vạch phổ này phát ra từ nguyên tử heli bị ion hóa, với nguyên tử heli chỉ còn một electron. Mô hình Bohr giải thích tốt cho những ion như vậy. Nhiều nhà vật lý lớn tuổi, như Thomson, Rayleigh và Hendrik Lorentz, không thích bộ ba bài báo của Bohr, nhưng thế hệ các nhà vật lý trẻ tuổi hơn, bao gồm Rutherford, David Hilbert, Albert Einstein, Enrico Fermi, Max Born và Arnold Sommerfeld coi chúng là một bước đột phá. Lý thuyết của ông được chấp nhận hoàn toàn do nó có khả năng giải thích các hiện tượng mà những mô hình khác không thể, cũng như dự đoán các kết quả sau đó được xác nhận bằng các thí nghiệm. Ngày nay, mô hình Bohr về nguyên tử đã bị thay thế, nhưng nó vẫn là một mô hình nguyên tử nổi tiếng, và thường được giới thiệu trong các sách vật lý và hóa học phổ thông.
Bohr không có hứng thú khi giảng cho các sinh viên y khoa. Ông quyết định quay trở lại Manchester, nơi Rutherford đề xuất một công việc ở vị trí của Darwin, người mới hết hạn hợp đồng. Bohr đã chấp nhận. Ông xin nghỉ phép ở đại học Copenhagen, và bắt đầu bằng một kỳ nghỉ ở Tyrol với gia đình người em Harald và Hanna Adler. Sau đó, ông đến thăm đại học Göttingen và đại học Ludwig Maximilian München, nơi ông đã gặp Sommerfeld và thực hiện các bài giảng giải thích cho ba bài báo của ông. Thế chiến thứ nhất nổ ra khi ông đang ở Tyrol, gây khó khăn cho ông khi muốn quay trở lại Đan Mạch và chuyến hành trình Bohr cùng Margrethe chuyển hướng đến Anh, nơi ông đến nơi vào tháng 10 năm 1914. Họ ở tại đây đến tận tháng 7 năm 1916, khi ông được bổ nhiệm làm chủ nhiệm nhóm vật lý lý thuyết the của đại học Copenhagen, một vị trí được lập ra để giành cho Bohr. Ông vẫn phải có nhiệm vụ giảng dạy các sinh viên y khoa. Các giáo sư mới được bổ nhiệm thường diện kiến trước vua Christian X, người bày tỏ sự vui mừng như khi được gặp các cầu thủ bóng đá nổi tiếng.