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德布罗意的博士论文给予埃尔温·薛定谔很大的启示：既然粒子具有波动性，那必定有一个波动方程，能够完全地描述这粒子的物理行为。于1926年，薛定谔想出了薛定谔方程。这方程能够描述电子波的传播机制。它并不能命定性地给出电子的明确运动轨道，电子在任意时间的位置。但是，它可以计算出电子处于某位置的几率，也就是说，在某位置找到电子的几率。薛定谔用自己想出的方程来计算氢原子的谱线，得到了与用玻尔模型的预测相同的答案（更详细资料，请参阅氢原子）。薛定谔方程的波动概念，为量子力学创立了一个新的发展平台。再进一步将电子的自旋和几个电子的互相作用纳入考量，薛定谔方程也能够给出电子在其它原子序较高的原子内的电子组态。

于1928 年，保罗·狄拉克研究出狄拉克方程。这公式能够描述相对论性电子的物理行为。相对论性电子是移动的速度接近光速的电子。为了要解释狄拉克方程的自由电子解所遇到的反常的负能量态问题，狄拉克提出了一个真空模形，称为狄拉克之海：即真空是挤满了具有负能量的粒子的无限海。因此，他预言宇宙中存在有正子（电子的反物质搭配）。于 1932 年，卡尔·安德森在宇宙射线实验中首先证实了正子的存在。

于 1947 年，威利斯·兰姆在与研究生罗伯特·雷瑟福 (Robert Retherford) 合作的实验中，发现氢原子的某些应该不会有能量差值的简并态，竟然出现很小的能量差值。这现象称为兰姆位移。大约同年代，波利卡普·库施助手模板和亨利·福立Henry Foley。在共同完成的一个实验中，发现电子的异常磁矩，即电子的磁矩比狄拉克理论的预估稍微大一点。为了解释这些现象，朝永振一郎、朱利安·施温格和理察·费曼，于1940年代，创建了量子电动力学。