1608年 荷兰眼镜师汉斯·利伯希(Hans Lippershey)造出了世界上第一架望远镜，传播开来。意大利伽利略(Galileo)得知后，1609年也制作了凹凸型的伽利略式望远镜，次年1610年1月7日用望远镜首次发现了木星的四颗卫星木卫一、二、三、四。1611年德国开普勒(Kepler)又制作了双凸型的开普勒式望远镜，现加有倒像棱镜可以成正像，视野大、可安装十字叉丝，是最常用的实用望远镜。但伽利略望远镜用发散物镜，视野小、不能有实像，没法加装测量坐标叉丝，实用性低于开普勒式。
1620年 荷兰斯涅耳(Snell)最早发现了光的折射定律(Snell Law)，第二介质对第一介质的相对折射率 n21=n2/n1=sinθ1/sinθ2，确定了折射光线与入射光线之间关系的定律，光路是可逆的。光的折射定律符合光路最短的费马原理，是几何光学的基本定律之一，从而使几何光学的精确计算成为了可能。
光的全反射：当光从光密介质射到它与光疏介质的界面上、入射角大于或等于临界角时，将发生全反射的光学现象，临界角 arcsin(n2/n1)。
1660年 意大利格里马第(Grimmadie)用光束做发验发现杆、小孔、栅会引起光影放宽并呈现彩带的光的衍射现象 (Light Diffraction)。1678年，荷兰物理学家惠更斯（Huygens）阐述了光的衍射原理，菲涅耳作了发展和补充，创立了“惠更斯--菲涅耳原理”，才较好地解释了衍射现象，完成了光的波动说全部理论。
1662年 法国费马(Fermat)提出光传播的路径是光程取极值的路径。 最初提出最短时间原理，光线传播的路径是需时最少的路径(Fermat's principle)，得到三种情形：1、光线在真空中的直线传播；2、光的反射定律-光线在界面上的反射，入射角必须等于出射角；3、光的折射定律（斯涅耳定律）。
1665年 英国虎克(Robert Hooke)设计制造了首架光学显微镜，当时放大倍数为40至140倍，并用此首次观察并描述了植物细胞，同年发表《显微图谱》一书。
1666年 牛顿(Newton)最先利用三棱镜观察到光的色散，把白光分解为彩色光带。色散现象说明光在介质中的速度随光的频率而变。光的色散可以用三棱镜、衍射光栅、干涉仪等来实现。光的色散证明了光具有波动性。
1668年 牛顿成功制作了一架40倍的牛顿式望远镜，为反射式望远镜的一种，迄今为止用的最广泛的反射式望远镜。
反射望远镜在天文望远镜中应用广泛。由于这种系统对玻璃材料在光学性能上没有特殊要求，光线不需透过材料本身，而重量较轻无色差又是反射镜的一大优点，因此大口径的望远镜都采用反射式。但是反射物镜表面精度对光程的影响是双倍的，如果仅由一个反射表面来成像，则此表面所需的精确度(垂直入射光)比单个折射表面的精确度要高四倍。可见反射表面磨制的要求是很高的。再加上需经常重新镀反射面及部件组装、校正的困难，反射系统在科普望远镜中应用受到限制。
1675年 牛顿首先观察到一种光的干涉图样。将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块玻璃平板上，用单色光照射透镜与玻璃板，就可以观察到一些明暗相间的同心圆环，称“牛顿环”。牛顿所坚持的光微粒说解释不了，直到19世纪初，英国托马斯·杨才用光的波动说圆满地解释了牛顿环实验。
1800年 英国赫歇尔(Herschel),1800年从太阳光谱的辐射热效应发现红外线（Infrared rays），又称热射线，不可见、热效应、穿透云雾能力强。含热能，频率低于可见光，太阳的热量主要通过红外线传到地球。1801年德国里特尔(Ritter)从太阳光谱的化学作用，发现另一不可见光：紫外线（Ultraviolet rays），频率高于可见光。
1801年 英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young)在实验室里成功地观察到了光的干涉，证实了光具有波动现象。并测量出可见光的波长。
薄膜干涉：照射一束光波于薄膜，由于折射率不同，光波会被薄膜的上界面与下界面分别反射，因相互干涉而形成新的光波，这现象称为薄膜干涉（Thin-film interference）。对于这现象的研究可以透露出关于薄膜表面的特性，这包括薄膜的厚度、折射率。
1809年 法国马吕斯(Malus)1808年发现光的偏振现象。1809年发现光的马吕斯定律：强度为I0的偏振光通过检偏振器后，两者偏振夹角为α，则出现光的强度将变化为I0cos²α，这就是马吕斯定律。
1811年 英国布儒斯特(Brewster)发现偏振光的布儒斯特定律。自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角Ib=arctan(n2/n1) 时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角。此规律称为布儒斯特定律(Brewster's law)。
1814年 德国夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）的科学成果主要在光谱方面。1814年，他发明了分光仪，在太阳光谱中发现了574条黑线，这些线被称作夫琅和费线。现在人们已经发现了三万多条。夫琅和费由于发现了太阳光谱中的吸收光谱线，以及首先采用了衍射光栅，也可被认为是光谱学的奠基者之一。 1821年，他发表了平行光通过单缝衍射的研究结果（称夫琅和费衍射，远场衍射），做了光谱分辨率的实验，第一个定量地研究了衍射光栅，用其测量了光的波长，以后又给出了光栅方程。在光学上，夫琅禾费衍射，又称远场衍射，是波动衍射的一种，在场波通过圆孔或狭缝时发生，导致观测到的成像大小有所改变，成因是观测点的远场位置，及通过圆孔向外的衍射波有渐趋平面波的性质。
1818年 西莫恩·德尼·泊松（Simeon-Denis Poisson 1781～1840）法国物理学家，发现“泊松亮斑”：当单色光照射在直径恰当的小圆板或圆珠时，会在之后的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹，并且在所有同心圆的圆心处会出现一个极小的亮斑，这个亮斑就被称为泊松亮斑（Poisson bright spot）。形成的原因：是由于光的衍射，可以利用衍射公式来具体计算。可计算的量包括明暗条纹间距的规律和亮斑的相对大小。
1831年 英国法拉第(Michael Faraday)首次发现电磁感应现象，电磁感应定律也叫法拉第电磁感应定律，指因磁通量变化产生感应电动势的现象。并进而得到产生交流电的方法。由于他在电磁学方面做出了伟大贡献，被称为“电学之父”和“交流电之父”。
1839年 美国莫尔斯 (Morse)发布了他的第一项发明“莫尔斯”码，开创了数字化通讯的时代。之后出现的电报就是运用“莫尔斯”码来传递信号的，现代所用的国际标准版是1848年出现的。
1842年 奥地利物理学家及数学家多普勒提出多普勒效应(Doppler effect)。1848年，法国物理学家斐索(Fizeau)发现光也有此效应，物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。运动的光波波长会出现红移或蓝移。光不能适用波的经典多普勒公式，两者有三点不同。相对论下，光的纵向多普勒公式： β=v/c, f=f0√((1-β)/(1+β))。
1845年 法拉第发现磁光效应(Magneto-optic Effect)的法拉第效应(Faraday Effect)：当一束平面偏振光通过置于强磁时，偏振方向会发生旋转。光的磁光四大效应：法拉第效应、克尔效应、塞曼效应、科顿.穆顿效应, 证实了光有电磁力现象，是一种广义的电磁波。
1849年 法国实验物理学家斐索(Fizeau)利用旋转齿轮机构,在实验室中测定了光速，其数值约为3.15×10^8m/s，这是第一次在地球上测得比较正确的光速数值。1859年“斐索实验”: 斐索做了一个流水实验，实验目的是为了考察介质的运动对在其中传播的光速有何影响，从而判断以太是否被拖曳。光束由光源发出后，经过半透镜后分为两束，一束光与水流方向一致，另一束光则与水流方向相反，两束光在观察者处产生干涉条纹。
现代测量光速有多种方法：1.齿轮法；2.旋转镜法；3.旋转棱镜法；4.克尔盒法；5.光拍频法。
1858年 阴极射线(Cathode Ray)是在1858年利用低压气体放电管研究气体放电时发现的。勒纳德（Philipp Lenard）从1880年开始研究阴极射线，在1898年发表了《关于阴极射线的静电特性》，使他取得了这一发现的优先权,为此获1905年诺贝尔物理学奖。 1897年约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）根据放电管中的阴极射线在电磁场和磁场作用下的轨迹确定阴极射线中的粒子带负电，并测出其荷质比，1906年获诺贝尔物理学奖。这在一定意义上是历史上第一次发现电子，12年后美国物理学家罗伯特·安德鲁·密立根（Robert Andrews Millikan）用油滴实验测出了电子的电荷，因而获得1923年诺贝尔物理学奖。洛伦兹(Lorentz)因电子论获1902年诺贝尔物理学奖。
1862年 英国麦克斯韦( Maxwell)开始陆续发表电磁场理论的著作，创立了麦克斯韦方程组。之后又出版了科学名著《电磁理论》，系统地阐述了电磁场理论。麦克斯韦预言电磁波的存在，计算出电磁波速度。并提出“光就是电磁波”的猜测。1879年麦克斯韦48岁因病在剑桥英年早逝，生前未能见到电磁波的产生。其实光只是广义上的电磁波，并不是真正意义上的电磁振荡波，光与无线电波本质不同。
1875年 光的克尔-普克尔斯效应：在强电场作用中，会表现出各向异性的光学性质，表现出了双折射现象。分为两种情况：一级电光效应和二级电光效应。一级电光效应指折射率的变化与外加场强成正比（如压电晶体），由德国晶体物理学家普克尔斯（F. Pockels）于1893年首先预期，后来在石英等晶体得到证实，故称为普克尔斯效应（Pockels effect）。二级电光效应指折射率的变化与外加场强的平方成正比（如气体、液体和玻璃态固体），由英国物理学家克尔（John Kerr）于1875年首先在玻璃上发现，故称克尔效应。
1879年 霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应（Hall effect）使用左手定则判断。
霍尔后来的进一步研究中还发现，有些材料在通有电流时，即使没有磁场也会在两侧出现电势差，这是由材料本身的自发磁化引起的，这种现象叫做反常霍尔效应。
1880年 法国皮埃尔·居里(Pierre Curie，居里夫人的丈夫)和兄弟雅克·居里(Jacques Curie）发现电气石具有压电效应。1881年，他们通过实验验证了逆压电效应(Negative Piezoelectric effect）。压电效应，某些压电晶体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。1922年，美国卡第提出用石英压电效应调制电磁振荡的频率。
1884年 英国教授约翰·坡印亭（John Poynting）提出交变电磁场和电磁振荡波的坡印亭定理：空间某处的电场强度为E，磁场强度为H，该处电磁场的能流密度为S=E×H，称坡印亭矢量，方向由E和H按右手螺旋定则确定，沿电磁波的传播方向。大小为S=EHsinθ，θ为E和H的夹角，表示单位时间通过垂直单位面积的能量，单位为瓦/米²。
1887年 赫芝(Heinrich Rudolf Hertz)用实验方法产生并检测到了电磁波的传播及感应，证实了麦克斯韦对电磁波的预见。赫芝1887年发现光电效应。1894年36岁的赫兹在德国波恩英年早逝。
1887年 迈克尔逊－莫雷实验(Michelson-Morley Experiment)：迈克尔逊和莫雷在美国用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。实验结果没发现有光程差，否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个开端。但莫雷实验并不能证明“光速不变”。因发明精密光学仪器和借助这些仪器在光谱学和度量学的研究工作中所做出的贡献，被授予了1907年度诺贝尔物理学奖。
1892年 洛伦兹(Lorentz)提出了最大贡献的电子论，认为一切物质分子都含有电子，阴极射线就是电子，提出了洛伦兹力公式。用他的电子论解释了塞曼效应的光谱线分裂，与塞曼一起获1902年诺贝尔物理学奖。
1894年 俄国发明家亚历山大.波波夫(Popov)知道赫芝的电磁波实验后，很快重复了同样的实验，并公开提出了可以用电磁波进行无线电通信的设想。1894年波波夫制成了一台无线电接收机，使用了世界上的第一根天线，他是无线电接收机的发明者。1895年5月7日波波夫宣读了论文《金属屑同电振荡的关系》，并且表演了他发明的无线电接收机，这一天被定为“无线电发明日”。1906年47岁的波波夫英年早逝。
美国发明家特斯拉(Tesla)1894年成功进行短波无线通信试验，被认为是当时美国最伟大的电气工程师之一。1898年，意大利马可尼(Marconi)用电磁波进行约2公里距离的无线电通讯实验，获得成功，被称为无线电之父，是实用无线电报通信的创始者。马可尼与布劳恩（Braun）因对无线电的贡献，一起得到1898年度诺贝尔物理学奖。
1895年 德国物理学家伦琴(Wilhelm Rontgen)在他从事阴极射线的研究时，发现了X射线，又称伦琴射线，有较强的穿透特性, 可用于骨科医疗。这一伟大的发现立即传遍了全世界，伦琴获得1901年诺贝尔物理学奖。1896年美国首先将X射线用于医疗临床诊断。
产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能（其中的1%）会产生电磁辐射发出光子，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射(Braking radiation)。电子束用磁场的弧形弯道同步辐射产生的X射线强度可为常规X射线强度的100倍。准直性好，发散度小，稳定性好，而且是完全的平面偏振波。
1896年 法国物理学家亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）因发现天然放射性，与皮埃尔·居里（Pierre Curie）和玛丽·居里（Marie Curie）夫妇因在放射学方面的深入研究和杰出贡献，共同获得了1903年度诺贝尔物理学奖。
1896年 塞曼效应（Zeeman effect）是指原子在外磁场中发光谱线发生分裂且偏振的现象；历史上首先观测到并给予理论解释的是谱线一分为三的现象，后来又发现了较三分裂现象更为复杂的难以解释的情况，因此称前者为正常或简单塞曼效应，后者为反常或复杂塞曼效应。1902年,塞曼与洛仑兹 (Lorentz)因发现光的塞曼效应并解释，共同获得了诺贝尔物理学奖。
1900年 马克斯·普朗克(Planck)于1900年建立了黑体辐射定律(Blackbody radiation law)的公式，并于1901年发表。 提出了“量子化”的概念，从一个黑体中发射出的电磁辐射的辐射率与频率彼此之间的关系。1918年荣获诺贝尔物理学奖。
1900年 法国维拉尔德(Villard)发现γ射线，称这是一贯穿力非常强的辐射，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。是原子核能级跃迁时释放出的射线，波长短于0.01埃。利用γ射线很强的穿透力，工业中可用来探伤。1911年，奥地利科学家海斯(Hayes)发现宇宙射线，是一种穿透性极强的射线。
1901年 俄国博士列别捷夫(Lebedev)用光压扭秤实验装置成功证实微小光压的存在并测量出大小，著有《光压实验研究》(1901)。远在1748年欧拉(Euler)即已指出光压的存在。光压是光的粒子性有动量的表现。
1903年 坡印廷－罗伯逊效应：光压使尘粒沿螺旋轨道缓慢落入太阳的一种效应。它起因于质点对辐射的吸收和发射。1903年坡印廷在讨论物体在辐射场中的运动时最先指出这种效应的存在，1937年罗伯逊用相对论导出并改进此效应的理论，因而得名。
1903年 意大利科学家奥林托·德·普莱托（Olinto de Pretto, 1857-1921），研究放射性粒子及以太振动，得出光速粒子的潜能公式 E=mc²，这是两年后的1905年爱因斯坦质能方程E=mc²的雏形。
1905年 爱因斯坦写了四篇论文，每一篇都非常有划时代的意义，狭义相对论（Special Theory of Relativity）是爱因斯坦在1905年发表的题为 《论动体的电动力学》一文中提出的区别于牛顿时空观的新的平直时空理论。“狭义”表示它只适用于惯性参考系。这个理论的出发点是两条基本假设：狭义相对性原理和光速不变原理。理论的核心方程式是洛伦兹变换（见惯性系坐标变换）。狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应（相对论效应），如时间膨胀 、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等。狭义相对论已经成为现代物理理论的基础之一。
质能方程E=mc²的推导是在《物体的能量和它的惯性有关么》一文中得到的。文章很短，但彻底改变了我们对 质量和能量的看法，让物理学更深入了，同时也是狭义相对论的一个补充，有了它，狭义相对论更完整了。相对论的一个重要结果是质量与能量的关系。爱因斯坦1905年6月发表的论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，解释了光的本质。 他在1915年提出了广义相对论(General Relativity)。
1906年 美国发明家德福雷斯特（DeForest Lee）发明真空三极管，使无线电信号放大得以传递更远的距离，电波电子技术在世界迅猛发展。直到40年后的肖克利晶体三极管的问世，才使它相形失色。
1907年 科顿-穆顿效应（Cotton-Mouton Effect）又称磁双折射效应，是科顿和穆顿在液体中发现。光在透明介质中传播时，若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则介质表现出单轴晶体的性质，光轴沿磁场方向，主折射率之差正比于磁感应强度的平方。此效应也称磁致双折射。
1908年 新西兰物理学家卢瑟福(Rutherford)首先提出放射性半衰期的概念，证实放射性涉及从一个元素到另一个元素的嬗变。他又将放射性物质按照贯穿能力分类为α射线与β射线，并且证实前者就是氦离子。因为"对元素蜕变以及放射化学的研究"，荣获1908年诺贝尔化学奖。被称为原子核物理学之父。
1912年 德国劳厄(Laue)发现X射线在晶体中产生衍射，弗里德里希(Friedrich)、克尼平(Knipping)进行X射线衍射实验，从而证实了X射线的波动性, 有劳厄方程。劳厄获得1914年度诺贝尔物理学奖。
布拉格方程：对于X射线衍射，当光程差等于波长的整数倍时，晶面的散射线将加强，此时满足的条件为 2dsinθ=nλ，其中，d为晶面间距，θ为入射线，反射线与反射晶面之间的夹角，λ为波长，n为反射级数，布拉格方程是X射线在晶体产生衍射时的必要条件而非充分条件。有些情况下晶体虽然满足布拉格方程，但不一定出现衍射。
1913年 斯塔克效应（Stark effect)，德国格雷复斯瓦尔大学的斯塔克(Stark,1874-1957)发现，原子或分子存在固有电偶极矩，在外电场作用下引起附加能量，造成能级分裂，裂距与电场强度成正比，称为一级斯塔克效应；不存在固有电偶极矩的原子或分子受电场作用，产生感生电矩，在电场中引起能级分裂，与电场强度平方成正比，称为二级斯塔克效应，一般二级效应比一级效应小得多。斯塔克分裂的谱线是偏振的。对斯塔克效应的圆满解释是早期量子力学的重大成就。1919年授予斯塔克诺贝尔物理学奖，以表彰他在极遂射线中发现了多普勒效应和电路中发现了分裂的谱线。
1913年 萨格纳克（Sagnac）发现萨格纳克效应或塞格尼克效应(Sagnac Effect）。是说当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。
萨格纳克1913年发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动，这就是萨格纳克效应。
萨格纳克效应已经得到广泛的应用，由萨格纳克效应研制出的光纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域，是近20年发展较快的一种陀螺仪。
1921年 爱因斯坦因建立光量子理论(Quantum-photon theory),成功解释了光电效应(Photoelectric effect)，而获得1921年度诺贝尔物理学奖。 赫芝(Hertz)在1887年发现光电效应，未做出解释，1902年勒纳德(Lenard)得到光电效应的基本规律，1921年爱因斯坦因用光量子理论成功地做了解释。"波粒二象性"是微观粒子的基本属性之一。
1922年 丹麦物理学家玻尔(Bohr)1921年提出原子结构的量子化轨道理论，并对氢原子进行计算。获得者1922年度诺贝尔物理学奖。
哥本哈根学派是由玻尔与海森堡于1927年在丹麦哥本哈根大学所创立的学派。其中玻恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是这个学派的主要成员。哥本哈根学派对量子力学的创立和发展作出了杰出贡献，并且它对量子力学的哥本哈根诠释被称为量子力学的“正统解释”。玻尔本人不仅对早期量子论的发展起过重大作用，而且他的认识论和方法论对量子力学的创建起了推动和指导作用，他提出的著名的“互补原理”是哥本哈根学派的重要支柱。玻尔领导的哥本哈根理论物理研究所成了量子理论研究中心，由此该学派成为当时世界上力量最雄厚的物理学派。
1923年 美国物理学家康普顿(Compton)在研究X射线通过实物物质发生散射的实验时，发现康普顿效应(Compton Effect)。康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释，证明光量子具有动量。1927年康普顿获得了诺贝尔物理学奖。
1924年 法国理论物理学家德布罗意(Broglie)提出物质波假说(Matter-wave hypothesis)，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性(Wave-Particle Duality)。德布罗意于1929年因为这个假设获得了诺贝尔物理学奖。
1925年 美籍奥地利物理学家泡利(Pauli)25岁时发现“泡利不相容原理”(Pauli's exclusion principle)：在原子的同一轨道中不能容纳运动状态完全相同的电子。1945年，授予泡利诺贝尔物理学奖，以表彰他发现的泡利不相容原理。
1926年 德国物理学家布施（Busch）发现，用一个旋转对称、不均匀的磁场可以作为一个“透镜”，将电子束聚集起来。这个原理类似于玻璃透镜将光束聚集起来。这个发现为电子显微镜的问世奠定了理论基础，许多学者开始了试验。1933年卢斯卡(Ruska)成功制成了电子显微镜。开始形成电子光学这一学科。
1926年 奥地利物理学家薛定谔(Schrodinger)创立量子力学波动的的基本方程，这是一种强调物质波动性的新量子论。为此，他与狄拉克(Dirac)共同获得1933年度诺贝尔物理学奖。但薛定谔尚不知方程的解函数，直到后来波恩确定是概率波。
1926年 德国犹太裔理论物理学家波恩（Born)做出一生中最大的贡献就是量子力学的概率波诠释，认为波粒二象性中的波是粒子的概率波。当时多数物理学家接受他的观点，但因爱因斯坦、普朗克和薛定谔等对此却抱有怀疑态度，未能获得1933年诺贝尔物理学奖。直到二十多年后，玻恩的量子力学的概率诠释观点被认定是正确的，光就是光子的概率波，而不是电磁振荡波。1954年才被授予迟来的诺贝尔物理学奖，此时玻恩已经72岁。
1927年 德国海森堡（Heisenberg）提出不确定性原理（Uncertainty principle），不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常数（Planck constant）除于4π（ΔxΔp≥h/4π），这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。海森堡是量子力学的创始人之一，在微观粒子运动力学领域中做出了卓越贡献。获得1932年度的诺贝尔物理学奖。
1927年 美国戴维森(Davisson)与格沫（Germer）用低速电子进行电子散射实验，证实了电子衍射。同年，英国汤姆逊(Thomson)用高速电子获电子衍射花样，为德布罗意的物质波理论提供了实验证据。戴维孙和汤姆孙共同获得1937年度诺贝尔物理学奖。
1927年 英国物理学家阿普顿(Edward Victor Appleton)，发现了能反射短波的阿普顿电离层，获得了1947年度诺贝尔物理学奖。1927年他发现约在230公里处还存在一个对短波反射能力更强的高空电离层，后被命名为“阿普顿层”，为环球无线电通讯提供了重要的理论依据，从此无线电事业进入了一个新纪元。阿普顿还开辟了对电离层以及该层受太阳位置和日斑活动的影响。
1928年 印度物理学家拉曼(Raman)发现光的拉曼效应(Raman scattering)，也称拉曼散射，指光波在被散射后频率发生变化的现象。授予1930年度诺贝尔物理学奖，以表彰他研究了光的散射定律。
1928年 保罗·狄拉克（Paul Dirac）英国理论物理学家，量子力学的奠基者之一，并对量子电动力学早期的发展作出重要贡献。因为“发现了在原子理论里很有用的新形式”（即量子力学的基本方程——薛定谔方程和狄拉克方程），狄拉克和埃尔温·薛定谔共同获得了1933年诺贝尔物理学奖。
狄拉克1928年提出的方程。利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好。从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为1/2，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g因子为轨道角动量情形时朗德g因子的2倍。电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的，并没有理论的来源和解释。狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质，是理论上的重大进展。
1931年 美国物理学家劳伦斯(Lawrence)设计制成第一台“回旋加速器”。为此他获得了1939年度诺贝尔物理学奖。因此，同步辐射技术被发现：高速带电粒子在磁场作用下，沿弧形弯道运动，切线方向会产生电磁辐射发出各种频段的光子，称同步辐射(Synchrotron radiation)。同步辐射是产生各个频段电磁波的实用技术，受到各行各业的重视。但同步辐射严重阻碍了同步加速器中带电粒子的加速。
1931年 美国物理学家亨利·登伯(Harry Dember)发现光登伯效应（Photo-Dember effect): 半导体受飞秒激光激发后，发出带电的电磁辐射，这是由于极快电子-空穴对在很强载流子梯度而造成的。同时，由于电子和空穴的迁移率不同，破坏了表面的对称性，半导体表面附近形成垂直表面的电偶极矩（正极在下，负极在上）。
1933年 德国物理学家卢斯卡(Ruska)制成了能放大一万倍的电子显微镜，并拍摄了金属箔和纤维的放大像。使电子显微镜的放大倍数超过了光学显微镜，只能黑白影像。1937年，柏林科工大学的克劳塞和穆勒成功的制出了分辨率为纳米级（10^-9m）的电子显微镜。
电子显微镜是利用电子的电磁透镜成像原理，是电子光学理论的基础。1986年，因电子显微镜的发明，卢斯卡获诺贝尔物理学奖。
1938年 美国物理学家拉比(Rabi)发现磁共振原理，因此获得1944年度诺贝尔物理学奖。拉比是核磁共振仪的发明者。磁共振是在固体微观量子理论和无线电微波电子学技术发展的基础上被发现的。
1939年 英国物理学家布特（Boot）和兰道尔（Randall）制成了完全实用化的多腔磁控管(Magnetron)，开创了微波技术和雷达技术的时代。高速电子在磁场作用下，沿弧形弯道运动，切线方向会产生电磁辐射发出各种频段的光子，称同步辐射(Synchrotron radiation)。这是磁控管产生微波的机理。
1943年 美国高院裁定塞尔维亚裔美籍发明家特斯拉(Tesla)为无线电的发明者。他的多项相关专利以及电磁学的理论研究工作是现代的无线通信和无线电的基石。
1947年 英国美籍物理学家肖克利（Shockley）发明了具有信号放大作用的晶体三极管，与巴丁(Bardeen)和布拉顿(Brattain)分享1956年度的诺贝尔物理学奖。
1954年 德国玻恩(Max Born)是量子力学奠基人之一，1926年提出德波罗意物质波是概率波，提出波动方程的波函数。由于在量子力学和波函数的统计解释及研究方面的贡献，与瓦尔特·博特(Walther Bothe)共同获得1954年度诺贝尔物理学奖。
1958年 苏联教授切仑科夫（Cherenkov）发现切仑科夫效应（Cherenkov effect）：媒质中的光速比真空中的光速小，粒子在媒质中的传播速度可能超过媒质中的光速，在这种情况下会发生辐射（切伦科夫辐射）。切伦科夫教授由于发现和解释了切伦科夫效应，1958年与苏联物理学家塔姆（Tamm)、伊利亚·弗兰克（I.M.Frank）分享诺贝尔物理学奖。
1960年 美国梅曼(Maiman)制成红宝石激光器，实现了肖洛(Schawlow)、汤斯(Townes)在1958年的预言。
1961年 美国费兰肯（Franken)发现了光的倍频效应，红宝石激光器发出的波长694.3nm的红光照射到晶体上，透过后，除了红光外，还发现了倍频的347.1nm的光，频率加倍。除透射光外，反射光中也发现倍频光。非线性是分子的非谐性造成的。
1962年 英国物理学家约瑟夫逊(Josephson)发现，在线形量子力学中，由于电子等微观粒子具有波粒二象性，当两块金属被一层厚度为几十至几百A的绝缘介质隔开时，电子等都可穿越势垒而运动。加电压后，可形成隧道电流，这种现象称为隧道效应。 若把上述装置中的两块金属换成超导体后，当其介质层厚度减少到30A左右时，由超导电子对的长程相干效应也会产生隧道效应，称为约瑟夫逊效应（Josephson effect）。
1965年 美籍华人高锟提出了光纤通讯理论，继续研究及改良光纤技术，1981年第一代光纤系统面世，他亦因此获得光纤之父称号，2009年获得诺贝尔物理学奖，开辟了人类用高速互联网络的时代。
1969年 半导体电路电荷藕合器件图像传感器CCD问世,是由美国贝尔实验室的维拉·波义耳(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George.Smith)所发明。引发了数码摄影技术革命。两人于2009年获诺贝尔物理学奖。
1971年 英籍匈裔丹尼斯·加博尔(Dennis Gabor)，发明了全息摄影，一种用激光器发出的相干光拍摄立体照片的方法。因发明全息术，1971年授予诺贝尔物理学奖。
1974年 英国剑桥大学卡文迪许实验室的马丁.赖尔（Ryle）1960年利用干涉的原理，发明了综合孔径射电望远镜，大大提高了射电望远镜的分辨率。其基本原理是：用相隔两地的两架射电望远镜接收同一天体的无线电波，两束波进行干涉，其等效分辨率最高可以等同于一架口径相当于两地之间距离的单口径射电望远镜。赖尔因为此项发明获得1974年诺贝尔物理学奖。
1980年 中国光学专家龚祖同发表《光子结构论》。龚祖同（1904年11月10日—1986年6月26日），上海人，光学家，中国科学院院士，中国科学院西安光学精密机械研究所研究员。龚祖同早期从事实验核物理学的研究，后来从事应用光学、纤维光学、光电子学、光子学等研究。
1985年 霍尔效应(Hall effect)发现约100年后，德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍尔效应，这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一，克利青为此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。之后美籍华裔物理学家崔琦(Daniel Chee Tsui)和美国物理学家劳克林(Robert Laughlin)、施特默(Horst L. St rmer)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，同时也使人类对量子有了新的认识。他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。
1986年 美国科学家 Ashkin 发现光镊技术(Optical tweezerstechnology), 同时就建立了光镊仪器的雏形。光镊又称为单光束梯度光阱。光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学效应 。光镊技术是光的力学效应的典型实例，它直观充分的展现了光具有动量这一基本属性。光镊技术的发明不仅丰富和推进了光学领域的发展，也为光学与其他多学科的交叉融合架起了一座桥梁，彰显出了它独特而不可替代的作用。
1988年 巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance）被发现，指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。1997年，全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世，之后电脑硬磁盘的容量不断创记录地增长。法国阿尔贝·费尔和德国彼得·格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应, 而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。
1989年 电磁感应透明效应，美国的Stanford大学的Harris小组首次提出电磁感应透明效应EIT：一般是用两束光同时照射到原子介质（如大量原子组成的气体），使得其中一束光能够在与原子跃迁共振时通过原子介质而不产生吸收和反射的现象(Electromagnetically induced transparency)。
2010年 海姆和诺肖洛夫在石墨烯研究方面做出了卓越的成就，利用石墨烯可以在常温下观察到量子霍尔效应。华人科学家张首晟生前曾预言了量子自旋霍尔效应，并在之后被实验证实。张首晟对量子反常霍尔效应也有铺垫性的研究。2013年中国薛其坤的团队在世界上首次发现了量子反常霍尔效应。杨振宁称赞这是诺奖级别的发现。
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