1913年丹麥物理學家波耳發表了波耳原子模型。波耳原子模型假設電子只能在一系列特定能量的軌道上繞原子核做圓周運動。當電子從一個能階跳到另一個能階上時，就會發射或者吸收與能階之間能量差相對應的光子。波耳原子模型很好地解釋了氫原子光譜線的分布規律。
然而進一步研究發現，氫原子光譜線具有精細結構，原先的一條譜線實際上是由幾條靠得很近的譜線組成的，波耳原子模型不能解釋光譜的精細結構。
德國物理學家索末菲在波耳原子模型的基礎上做了一些改進，建立了索末菲模型。在這個模型中，索末菲認為電子繞原子核運動的軌道不一定是正圓形，而是橢圓形。電子的軌道能階不僅與波耳模型中的主量子數有關，還與角量子數有關。不同角動量量子數的軌道之間的能階差正比於某個無因次常數的平方。這個無因次常數是索末菲在解釋光譜的精細結構時引入的，因此被稱為精細結構常數。
