化學是研究物質變化的科學。目前人們把客觀存在的物質劃分為實物和場兩種基本形態，化學研究的對象是實物，場不屬于化學研究的范疇。就物質構造的情況來說，大至宏觀的天體，小至微觀的基本粒子，其間可分為若干層次。在物質構造的層次中，化學研究的對象只局限于原子，分子和粒子這一層次上的實物。
另外，物質的運動包含有多種形式，化學的研究內容僅限于研究物質的化學運動即化學變化。在化學變化過程中，分子，原子或離子因核外電子運動狀態的改變而發生分解或化合，形成新的物質。雖然，在化學變化后生成了新的物質，但整個過程中不涉及原子核的改變。由于物質的化學變化基于物質的化學性質，而物質的化學性質同物質的組成和結構密切相關。所以物質的組成，結構和性質必然成為化學研究的內容。
物質在性質上的差別是由于物質的內部結構不同引起的。在化學變化中，原子核并不發生變化，只是核外電子的運動狀態發生變化。因此要了解和掌握物質的性質，尤其是化學性質及其變化規律，首先必須清楚物質內部的結構，特別是原子結構及核外電子的運動狀態。
1.1 核外電子的運動狀態
19世紀末，人們企圖從理論上解釋原子光譜現象時，發現經典電磁理論及有核原子模型跟原子光譜實驗結果發生尖銳的矛盾。根據經典電磁理論，繞核高速旋轉的電子將不斷的以電磁波的形式發射出能量。這將導致兩種結果：
電子不斷發射能量，自身能量會不斷減少，電子運動的軌道半徑也將逐漸縮小，很快就會落在原子核上。
電子自身能量逐漸減少，電子繞核運動的頻率也要逐漸的改變。根據經典電磁理論，輻射電磁波的頻率將隨著旋轉頻率的改變而變化，因而原子發射的光譜應該是連續光譜。
事實上，原子是穩定存在的而且原子光譜不是連續光譜而是線狀光譜。這些矛盾都是經典理論不能解釋的。
1900年，普朗克首先提出了著名的量子化理論。普朗克認為能量像位置微粒一樣是不連續的，它具有微小的分立的能量單位----量子。物質吸收或發射的能量總是量子能量的倍數。能量以光的形式傳播時，其最小單位又稱光量子，也叫光子。光子能量的大小與光的頻率成正比：
E=hν
式中E為光子的能量，ν為光的頻率，h為普朗克常數，其值為6.626×10-34J·S。
1913年波爾在普朗克量子論，愛因斯坦光子學說和盧瑟福有核原子模型的基礎上，提出了原子結構理論的三點假設：
電子不是在任意軌道上繞核運動，而是在一些符合一定條件的軌道上的運動。這些軌道的角動量，必須是h/2π的整數倍，h為普朗克常數。這些符合量子化條件的軌道稱為穩定軌道，它具有固定的能量E。電子在這些軌道上運動時，并不放出能量。
電子在離核越遠的軌道上運動，其能量越大。在正常情況下，原子中的各電子盡可能處在離核最近的軌道上。這時原子的能量最低，即原子處在基態。當原子從外界獲得能量時電子可以躍遷到離核較遠的軌道上去，即電子被激發到較高能量的軌道上。這時原子和電子處于激發態。
處于激發態的電子不穩定，可以躍遷到離核較近的軌道上，這時會以光子形式放出能量，光的頻率決定與高能軌道和低能軌道的能量之差：
hν=E2-E1
波爾理論成功的解釋了原子的發光現象，氫原子光譜的規律性，但它的原子模型卻失敗了。波爾理論無法解釋光譜的精細結構，也不能解釋多電子原子，分子和固體的光譜。
1.1.2 微觀粒子的波粒二象性
1.1.2.1 光的二象性
20世紀初，人們根據光的干涉，衍射和光電效應等各種實驗現象認識到光既有波的性質又具有粒子的性質，即光具有波粒二象性。普朗克的量子理論和愛因斯坦的光子學說，結合相對論中的質能方程，可以推出光子動量P和波長λ之間的關系
P= m·c = E/c = hν/c = h/λ
上式左邊是表征粒子性的物理量：能量和動量。右邊是表征波動性的物理量波長和頻率，這兩種性質通過普朗克常數定量的聯系了起來，從而很好的揭示了光的波粒二象性。
1.1.2.2 電子的波粒二象性
1924年，法國物理學家德布羅意，大膽的提出了實物粒子，電子，原子等也具有波粒二象性的假設。并預言高速運動的電子的波長λ符合公式
λ= h/P = h/mv
λ為波長，h為普朗克常量，m為粒子質量，v為粒子運動速度
這種波通常叫做物質波，也成德布羅意波。
1927年，電子衍射實驗證實了德布羅意的假設。
波粒二象性是微觀粒子的運動特征，因此描述微觀粒子的運動規律不能沿用經典的牛頓力學，而要用描述微粒運動的量子力學。
在經典力學中，人們能準確的同時測定一個宏觀物質的位置和動量。但量子力學認為：對于具有波粒二象性的微觀粒子，人們不能同時準確的測得它的空間位置和動量。
1927年，德國物理學家海森堡提出了量子力學中的一個重要光線式-----測不準關系，其數學表達式為：
Δx·ΔP ≧ h/2π
Δx：位置不準量，ΔP：速度不準量
其含義是：當用位置和動量這兩個物理量來描述微觀粒子的運動時，只能達到一定的近似程度。即粒子在某一方向上位置的不準量和在此方向上動量不準量的乘積一定大于或等于h/2π。
這說明粒子位置的測定準確度越大，則相應的動量準確度就越小，反之亦然。測不準關系很好的反映了微觀粒子的運動特征。
1.2 核外電子的排布規則
海森堡的測不準原理，否定了波爾提出的原子結構模型。因為根據測不準原理，不可能同時準確的測定電子的運動速度和空間位置，這說明波爾理論中核外電子的運動具有固定的軌道的觀點不符合微觀粒子運動的客觀規律。宏觀物體的運動狀態可以用軌道，速度等物理量來描述。但電子等微粒與宏觀物體不同，它具有波粒二象性，不會有確定的軌道。
在微觀領域里，具有波粒二象性的粒子要用波函數ψ來描述。微觀粒子的運動，雖然不能同時準確的測出位置和動量，但它在某一空間范圍內出現的幾率卻是可以用統計的方法加以描述的。波函數就和它描述的粒子在空間某范圍出現的幾率有關。
波函數ψ是量子力學中描述核外電子在空間運動狀態的數學函數式，一定的波函數表述一種電子的運動狀態，量子力學中常借用經典力學中描述物體運動的“軌道”的概念，把波函數ψ叫做原子軌道。
值得注意的是，這里的原子軌道和宏觀物體的運動軌道是根本不同的，它只是代表原子中電子運動狀態的一個函數，代表原子核外電子的一種運動狀態。
電子在原子核外的排布遵循能量最低原理，保里原理和洪特規則。
