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Nell'arco di pochi anni, tra il 1924 e il 1930 circa, fu sviluppato un approccio teorico completamente nuovo alla dinamica su scala subatomica, la meccanica quantistica. Nel 1924 il francese Louis De Broglie suggerì che la materia avesse la duplice natura (corpuscolare e ondulatoria) già osservata per la radiazione elettromagnetica. A ogni particella veniva quindi associata un'onda, detta onda di materia, di lunghezza d'onda l = h/mv, dove m è la massa della particella e v la sua velocità. Queste onde dovevano essere concepite come una sorta di guida per il moto della particella cui erano associate. L'ipotesi di De Broglie venne confermata nel 1927 dai risultati di una serie di esperimenti di interazione elettrone-cristallo condotti dai fisici statunitensi Clinton Joseph Davisson e Lester Halbert Germer, oltre che dal fisico britannico George Paget Thomson. In seguito i tedeschi Max Born, Werner Heisenberg, Ernst Pascual Jordan e il fisico austriaco Erwin Schrödinger svilupparono l'idea di De Broglie in una forma matematica capace di risolvere problemi che non potevano essere spiegati nell'ambito della fisica classica. Oltre a confermare il postulato di Bohr della quantizzazione dei livelli energetici dell'atomo, la meccanica quantistica fornisce una spiegazione degli atomi più complessi e costituisce il fondamento teorico della fisica nucleare. Inoltre, alcune proprietà dei solidi cristallini trovano un'interpretazione soddisfacente solo nei principi della teoria quantistica. 

Al postulato di De Broglie, che sancisce il dualismo onda-particella della materia, si sono aggiunti nel corso degli anni nuovi e fondamentali concetti. Tra i più importanti, è il fatto che gli elettroni e quasi tutte le particelle elementari abbiano la proprietà di possedere un momento angolare intrinseco, o spin. Nel 1925 il fisico austriaco Wolfgang Pauli enunciò il principio di esclusione che, stabilendo un limite per il numero di elettroni che possono occupare un determinato livello energetico, giustificava le diverse proprietà dei singoli elementi chimici e si rivelava fondamentale per comprendere la struttura della tavola periodica. Nel 1927 Heisenberg formulò il principio di indeterminazione, con il quale viene riconosciuta l'esistenza di un limite naturale alla precisione con cui si possono misurare simultaneamente alcune coppie di grandezze fisiche, quali ad esempio posizione e momento, energia e tempo. Nel 1928 Dirac giunse a una sintesi della meccanica quantistica e della relatività, grazie alla quale si previde l'esistenza del positrone e più in generale dell'antimateria. 

Nell'ambito della fisica moderna si sviluppò in breve tempo l'approccio di tipo statistico che era stato proposto da Bohr. Le relazioni di causa-effetto della meccanica newtoniana sono soppiantate da previsioni degli eventi in termini di probabilità statistica, e in quest'ottica le proprietà ondulatorie della materia vengono a rappresentare, in accordo col principio di indeterminazione, l'impossibilità di prevedere il moto delle particelle con assoluta precisione, anche conoscendo perfettamente le forze in gioco. Pur non essendo significativo per i moti macroscopici, questo aspetto statistico è dominante su scala molecolare, atomica e subatomica.