[[Tập tin:Atomic resolution Au100.JPG|phải|nhỏ|Ảnh [[kính hiển vi quét chui hầm]] cho thấy từng nguyên tử trên bề mặt lá [[vàng]]. Quá trình tái dựng bề mặt là nguyên nhân khiến các nguyên tử tại bề mặt bị lệch đi trong mạng [[tinh thể]] và thể hiện sắp theo cột với độ rộng chứa vài nguyên tử cũng như một vài sai hỏng trên bề mặt.]]
[[Tập tin:Lattice face centered cubic.svg|phải|nhỏ|Minh họa [[cấu trúc tinh thể]] lập phương tâm mặt của vàng.]]
Các nhà khoa học sử dụng [[kính hiển vi quét chui hầm]] là thiết bị quan sát bề mặt vật liệu ở cấp nguyên tử. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên hiệu ứng [[đường hầm lượng tử]], hiệu ứng cho phép các hạt đi qua rào cản là giếng thế mà về mặt trực giác vĩ mô là không thể. Các electron chui hầm qua chân không giữa hai điện cực kim loại đồng phẳng, trên mỗi phía có một nguyên tử hấp thụ electron, dẫn đến xuất hiện mật độ dòng điện mà có thể đo được. Khi đầu dò được quét trên bề mặt mẫu, sẽ xuất hiện các [[electron|điện tử]] di chuyển từ bề mặt mẫu sang mũi dò do [[Đường hầm lượng tử|hiệu ứng chui hầm lượng tử]] và việc ghi lại dòng chui hầm (do một [[điện thế|hiệu điện thế]] đặt giữa mũi dò và mẫu) này sẽ cho các thông tin về cấu trúc bề mặt.<ref name=jacox1997/><ref name=nf_physics1986/>
Khi nguyên tử bị mất một vài electron nó trở thành [[ion]]. Khi là hạt [[điện tích]] quỹ đạo của nó bị lệch đi trong từ trường. Đo được bán kính độ lệch quỹ đạo của ion cho phép chúng ta xác định được khối lượng của nguyên tử. Thiết bị [[Phương pháp phổ khối lượng|phổ khối kế]] dựa trên nguyên lý này để đo tỉ số khối lượng trên điện tích của các ion. Nếu một chứa nhiều ion, phổ khối có thể xác định được tỉ lệ của mỗi đồng vị trong mẫu bằng cách đo cường độ của nhiều chùm ion khác nhau. Kỹ thuật làm bay hơi nguyên tử bao gồm "phổ kế phát xạ cặp nguyên tử plasma cảm ứng" và "phổ kế khối lượng cặp plasma cảm ứng", cả hai kỹ thuật sử dụng plasma làm bay hơi mẫu để phân tích.<ref name=sab53_13_1739/>
Một phương pháp hay dùng nữa là [[phổ tổn hao năng lượng điện tử]], dựa trên việc ghi và phân tích phần năng lượng bị mất mát của chùm electron trong [[kính hiển vi điện tử truyền qua]] do tán xạ không đàn hồi khi truyền qua mẫu vật rắn. Phương pháp thăm dò nguyên tử (atom probe) có độ phân giải dưới nanômét và thu được ảnh 3-D cũng như xác định được đặc tính hóa học của từng nguyên tử thông qua phổ khối thời gian truyền.<ref name=rsi39_1_83/>
Phổ của trạng thái nguyên tử kích thích được dùng để phân tích thành phần nguyên tử trong các [[sao]] ở xa. Các nhà thiên văn có thể tách những bước sóng điện từ đặc trưng trong ánh sáng phát ra từ ngôi sao và liên hệ nó với sự dịch chuyển lượng tử trong nguyên tử khí tự do. Những màu này (bước sóng) có thể được sao chép bằng cách sử dụng [[đèn phóng điện qua khí]] (gas-discharge lamp) chứa cùng nguyên tố trên ngôi sao.<ref name=lochner2007/> Đặc biệt nguyên tử [[Heli]] đã được phát hiện theo cách này khi nghiên cứu phổ Mặt Trời sớm 23 năm trước khi nó được phát hiện có tồn tại trên Trái Đất.<ref name=winter2007/>
