Eelmises osas oli palju juttu aatomite ja molekulide vahelistest jõududest. Mitmed nähtused osutusid nii päris hästi kirjeldatavaks, ilma et me oleks suuremat tähelepanu pööranud aatomi koostisele ja siseehitusele. Muidugi me teame seda, et aatom koosneb tuumast ja elektronkattest. Ilma selleta poleks kuidagi olnud võimalik hakkama saada põhikooli füüsikatundides ja läbida keemiakursusi. Ka elektromagnetismi, optika ja elektrienergia teemades oli juttu elektronidest. Nüüd ongi aeg küsida, kuidas aatom koos püsib ja kuidas paiknevad seal elektronid? Selgub, et aine ehituse saladused ei ole avanenud loodusteadusele kergelt ja aatomi täpsem kirjeldamine ei ole kuigi lihtne ülesanne.
Aatom on küll nime järgi jagamatu (kreeka keeles atomos - jagamatu), aga hiljemalt 19. sajandi lõpuks oli füüsikutele selge, et tõeliselt jagamatu ta olla ei saa. Üheks vihjeks aatomi siseehitusele oli valguse mõju elektrilaenguga kehadele. 1887. aastal avaldas Heinrich Herz artikli sellest, et elektrisädemete tekkimist soodustab laetud kehadele langev ultravioletne valgus. Järgnevatel aastakümnetel uuriti nähtust (joonis 2.1.1.) väga põhjalikult ja see sai nimeks fotoefekt. Vaatamata kõigile pingutustele õnnestus fotoefekti ainult täpselt kirjeldada, mitte põhjendada.
19. sajandi lõpuaastatel tehti mitu avastust, mis viisid aatomiehituse mõistmisele tublisti lähemale. 1895. aastal avastas Wilhelm Röntgen senitundmatu kiirguse, x-kiired, mida hakati mõnel pool nimetama avastaja nime järgi röntgenikiirteks. Otsides fosforessentsi seotust Röntgeni avastatuga, märkas Henry Becquerel 1896. aastal, et uraaniühendid kiirgavad iseeneslikult veel üht uut kiirgust. Kiirgumine ei sõltu välistingimustest ja sellega ei kaasne keemilisi muutusi. Marie Skłodowska-Curie ja Pierre Curie eraldasid uraanimaagist uued, palju suurema kiirgusvõimega elemendid, polooniumi ja raadiumi. Nähtus sai nimeks radioaktiivsus. 1897. aastal avastas J.J. Thomson esimese aatomist väiksema osakese, mida hiljem hakati nimetama elektroniks. Aastal 1900 esitas Max Planck kvanthüpoteesi ja põhjendas, miks kuumemad kehad kiirgavad keskmiselt lühema lainepikkusega (sinisemat) valgust. Kvanthüpoteesi keskseks ideeks on, et valgus kiirgub ja neeldub väikeste portsjonitena, elementaarsete mõjukvantidena. Ühe kvandi energia on seotud valguslaine sagedusega. Kvandi energia () on väga väike, sagedust () ja energiat seob Plancki konstant:
Kvanthüpotees ühendab valguse lainelist ja korpuskulaarset käsitlust, siiamaani olid need mitu sajandit rivaalitsenud.
Kvantide tegelik olemasolu ei olnud algul kindel, seega oli teooria hüpoteesiks nimetamine põhjendatud. Ometi osutus kvantide idee väga viljakaks. 1905. aastal ilmus Albert Einsteini fotoefekti teooriat elektronide ja kvantide kaudu seletav artikkel.