تفکری جدید در مورد اتمها
با بازگشت به کپنهاگ، بور مشعول تدریس در دانشگاه این شهر شد. در همین منوال، تحقیقات نظری او در مورد جایگاه الکترونها در اتم ادامه داشت. بور در ابتدا میدانست که نظریهی رادرفورد با فیزیک کلاسیک همخوانی ندارد. فیزیک کلاسیک معتقد بود در مدل رادرفورد الکترونها با بار منفی از خود انرژی ساطع میکنند و به هسته با بار مثبت جذب میشوند و در نتیجه، مدل رادرفورد ناپایدار است. به همین دلیل، بور در تز دکترای خود عنوان کرد که فیزیک کلاسیک توانایی تشریح رفتارها در ابعاد اتمی را ندارد.
پس از رسیدن به این نتیجه، بور برای حل رفتار به ظاهر غیرممکن الکترونها به سراغ نظریههای مدرنتر و فیزیک کوانتومی مکس پلانک و آلبرت اینشتین رفت. فیزیک کوانتوم به این نکته اشاره میکرد که وقتی یک جسم حرارت را امواج نورانی از خود متصاعد میکند، این تصاعد نه به صورت دنبالهدار بلکه بهصورت بستههایی از انرژی موجی ایجاد میشود. اینشتین این بستهها را فوتون نامگذاری کرد. فوتونها هم مانند دیگر امواج سرعت، فرکانس و طول موج خاص خود را دارند. نظریهی پلانک نیز که ذات نظریهی کوانتوم را تشکیل میدهد، معتقد بود فوتونها و در نتیجه نور، تنها اجازهی داشتن مقدارهای مشخصی انرژی دارند و مقدارهای دیگر برای آنها ممنوع است (فرمول E=hf).
بور هرچه که روی این موارد مطالعه کرده و با همکاران و دانشمندان دیگر بحث میکرد، نمیتوانست نظریهی کوانتوم (یا حالتهای مجاز و غیرمجاز) را به رفتار الکترونها درون اتم مرتبط کند. در نهایت در سال ۱۹۱۳ اتفاق مهمی در تحقیقات بور افتاد. او در این سال با سری بالمر و فرمول بالمر آشنا شد. بالمر در سال ۱۸۸۵ و با آزمایش روی امواج پخش شده از هیدروژن داغ به فرمول بزرگ خود رسیده بود. بور با استفاده از نظریهی کوانتوم توانست فرمول بالمر را اثبات کند و قدم اصلی در شکلگیری مکانیک کوانتوم (فیزیک در ابعاد اتمی) را برداشت.
مدل اتمی بور
بور معتقد بود فرمول پلانک عامل اصلی در توضیح رفتار الکترونها در اتم است. از نظر او همانطور که انرژی در بستههای ثابت و مشخص پخش میشد، الکترونها نیز مقادیر ثابت و مشخصی از انرژی داشته و مقادیر دیگر برای آنها ممنوع بود. محاسبهی این مقادیر نیز با فرمول بالمر انجام میشد.
در نهایت، تحقیقات بور اتم را شبیه به یک منظومهی شمسی ترسیم میکرد. مانند گردش سیارات به دور خورشید، الکترونها نیز در مدارهای مشخص و ثابت به دور هسته میچرخند. هرچه الکترون از هسته دورتر باشد، سطح انرژی آن بالاتر خواهد بود. تنها تفاوت این مدل با منظومهی شمسی این است که بیش از یک الکترون اجازهی حضور در یک مدار مشخص را دارند.
مدل جدید بور یکی از مشکلات قدیمی دانشمندان در مورد چگونگی جذب و انتشار نور توسط مواد را حل کرد. بور گفته بود الکترونها در مدارهای مشخص در حال گردش هستند اما میتوانند با جذب نور از یک سطح به سطحی بالاتر بروند. بعلاوه آنها میتوانند با انتشار نور (فوتون)، انرژی خود را از دست داده و به مدار پایینتری بروند. ایم تحقیقات که در سال ۱۹۱۳ به اوج خود رسیدند، جایزهی نوبل فیزیک را در سال ۱۹۲۲ برای بور به ارمغان آورد.
در نهایت مد بور برای اتم مدلی کامل با استفاده از نظریات کوانتومی بود که خصوصا برای اتمهایی با یک الکترون مانند هیدروژن کاربرد داشت. اگرچه بعدها این مدل بهبود یافته و با مدلهای کاملتری جایگزین شد، تحقیقات بور را میتوان مانند باز شدن درب اتم به روی نظریهی کوانتوم دانست. در سالهای بعدی و در دههی ۱۹۲۰ دانشمندانی هعچون هایزنبرگ و شرودینگر نظریهی بور را تکمیل کرده و طرحی دقیقتر از جایگاه الکترون در اتم ارائه کردند.
بور در خلال تحقیقات خود به این نتیجه رسید که خواص شیمیایی عناصر ارتباط نزدیکی با الکترونهای موجود در پایدارترین مدار اتم دارد که با نام الکترونهای ظرفیت شناخته میشوند. او با استفاده از این نظریه، بخش زیادی از ساختار جدول تناوبی عناصر را توضیح داد و مبحثی جدید به نام شیمی کوانتوم را معرفی کرد.
بور در سال ۱۹۱۳ سه مقالهی جامع در مورد کوانتوم منتشر کرد که بعدها به اصول نظریهی قدیمی کوانتوم مشهور شدند. این مقالهها شهرت او بهعنوان فیزیکدان را با اعتبار کوانتومیاش ترکیب کرده و زمینه را برای شهرت جهانیاش فراهم کردند. او سمینارهایی را در دانشگاه گوتینگن برگزار کرد و پس از مدتی به دعوت دوستش رادرفورد برای ادامهی تحقیقات به منچستر رفت. شروع جنگ جهانی اول تاثیری عمیق در ارتباطات و تحقیقات دانشمندان داشت اما بور با تمام قوا از ۱۹۱۴ تا ۱۹۱۶ در منچستر ماند و به تحقیق پرداخت. او در این دوران در دانشگاه ویکتوریا در منچستر نیز به تدریس مشغول بود.
بور بار دیگر به کپنهاگ بازگشت و این بار بهعنوان اولین عضو هیئت علمی دانشگاه این شهر در رشتهی فیزیک نظری به فعالیت پرداخت. او از سرمایهی شخصی برای تاسیس موسسهی تحقیقات فیزیک نظری در این دانشگاه استفاده کرد و دانشمندان بزرگی همچون هایزنبرگ تحت تعلیم او در موسسهای که بعدا به نام موسسهی علمی نیلز بور شناخته شد، به تحصیل و تحقیق پرداختند. بور تا سال ۱۹۶۲ بهعنوان رئیس این موسسه فعالیت میکرد.