化学是研究物质变化的科学。目前人们把客观存在的物质划分为实物和场两种基本形态，化学研究的对象是实物，场不属于化学研究的范畴。就物质构造的情况来说，大至宏观的天体，小至微观的基本粒子，其间可分为若干层次。在物质构造的层次中，化学研究的对象只局限于原子，分子和粒子这一层次上的实物。
另外，物质的运动包含有多种形式，化学的研究内容仅限于研究物质的化学运动即化学变化。在化学变化过程中，分子，原子或离子因核外电子运动状态的改变而发生分解或化合，形成新的物质。虽然，在化学变化后生成了新的物质，但整个过程中不涉及原子核的改变。由于物质的化学变化基于物质的化学性质，而物质的化学性质同物质的组成和结构密切相关。所以物质的组成，结构和性质必然成为化学研究的内容。
物质在性质上的差别是由于物质的内部结构不同引起的。在化学变化中，原子核并不发生变化，只是核外电子的运动状态发生变化。因此要了解和掌握物质的性质，尤其是化学性质及其变化规律，首先必须清楚物质内部的结构，特别是原子结构及核外电子的运动状态。
1.1 核外电子的运动状态
19世纪末，人们企图从理论上解释原子光谱现象时，发现经典电磁理论及有核原子模型跟原子光谱实验结果发生尖锐的矛盾。根据经典电磁理论，绕核高速旋转的电子将不断的以电磁波的形式发射出能量。这将导致两种结果：
电子不断发射能量，自身能量会不断减少，电子运动的轨道半径也将逐渐缩小，很快就会落在原子核上。
电子自身能量逐渐减少，电子绕核运动的频率也要逐渐的改变。根据经典电磁理论，辐射电磁波的频率将随着旋转频率的改变而变化，因而原子发射的光谱应该是连续光谱。
事实上，原子是稳定存在的而且原子光谱不是连续光谱而是线状光谱。这些矛盾都是经典理论不能解释的。
1900年，普朗克首先提出了著名的量子化理论。普朗克认为能量像位置微粒一样是不连续的，它具有微小的分立的能量单位----量子。物质吸收或发射的能量总是量子能量的倍数。能量以光的形式传播时，其最小单位又称光量子，也叫光子。光子能量的大小与光的频率成正比：
E=hν
式中E为光子的能量，ν为光的频率，h为普朗克常数，其值为6.626×10-34J·S。
1913年波尔在普朗克量子论，爱因斯坦光子学说和卢瑟福有核原子模型的基础上，提出了原子结构理论的三点假设：
电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定条件的轨道上的运动。这些轨道的角动量，必须是h/2π的整数倍，h为普朗克常数。这些符合量子化条件的轨道称为稳定轨道，它具有固定的能量E。电子在这些轨道上运动时，并不放出能量。
电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。在正常情况下，原子中的各电子尽可能处在离核最近的轨道上。这时原子的能量最低，即原子处在基态。当原子从外界获得能量时电子可以跃迁到离核较远的轨道上去，即电子被激发到较高能量的轨道上。这时原子和电子处于激发态。
处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，这时会以光子形式放出能量，光的频率决定与高能轨道和低能轨道的能量之差：
hν=E2-E1
波尔理论成功的解释了原子的发光现象，氢原子光谱的规律性，但它的原子模型却失败了。波尔理论无法解释光谱的精细结构，也不能解释多电子原子，分子和固体的光谱。
1.1.2 微观粒子的波粒二象性
1.1.2.1 光的二象性
20世纪初，人们根据光的干涉，衍射和光电效应等各种实验现象认识到光既有波的性质又具有粒子的性质，即光具有波粒二象性。普朗克的量子理论和爱因斯坦的光子学说，结合相对论中的质能方程，可以推出光子动量P和波长λ之间的关系
P= m·c = E/c = hν/c = h/λ
上式左边是表征粒子性的物理量：能量和动量。右边是表征波动性的物理量波长和频率，这两种性质通过普朗克常数定量的联系了起来，从而很好的揭示了光的波粒二象性。
1.1.2.2 电子的波粒二象性
1924年，法国物理学家德布罗意，大胆的提出了实物粒子，电子，原子等也具有波粒二象性的假设。并预言高速运动的电子的波长λ符合公式
λ= h/P = h/mv
λ为波长，h为普朗克常量，m为粒子质量，v为粒子运动速度
这种波通常叫做物质波，也成德布罗意波。
1927年，电子衍射实验证实了德布罗意的假设。
波粒二象性是微观粒子的运动特征，因此描述微观粒子的运动规律不能沿用经典的牛顿力学，而要用描述微粒运动的量子力学。
在经典力学中，人们能准确的同时测定一个宏观物质的位置和动量。但量子力学认为：对于具有波粒二象性的微观粒子，人们不能同时准确的测得它的空间位置和动量。
1927年，德国物理学家海森堡提出了量子力学中的一个重要光线式-----测不准关系，其数学表达式为：
Δx·ΔP ≧ h/2π
Δx：位置不准量，ΔP：速度不准量
其含义是：当用位置和动量这两个物理量来描述微观粒子的运动时，只能达到一定的近似程度。即粒子在某一方向上位置的不准量和在此方向上动量不准量的乘积一定大于或等于h/2π。
这说明粒子位置的测定准确度越大，则相应的动量准确度就越小，反之亦然。测不准关系很好的反映了微观粒子的运动特征。
1.2 核外电子的排布规则
海森堡的测不准原理，否定了波尔提出的原子结构模型。因为根据测不准原理，不可能同时准确的测定电子的运动速度和空间位置，这说明波尔理论中核外电子的运动具有固定的轨道的观点不符合微观粒子运动的客观规律。宏观物体的运动状态可以用轨道，速度等物理量来描述。但电子等微粒与宏观物体不同，它具有波粒二象性，不会有确定的轨道。
在微观领域里，具有波粒二象性的粒子要用波函数ψ来描述。微观粒子的运动，虽然不能同时准确的测出位置和动量，但它在某一空间范围内出现的几率却是可以用统计的方法加以描述的。波函数就和它描述的粒子在空间某范围出现的几率有关。
波函数ψ是量子力学中描述核外电子在空间运动状态的数学函数式，一定的波函数表述一种电子的运动状态，量子力学中常借用经典力学中描述物体运动的“轨道”的概念，把波函数ψ叫做原子轨道。
值得注意的是，这里的原子轨道和宏观物体的运动轨道是根本不同的，它只是代表原子中电子运动状态的一个函数，代表原子核外电子的一种运动状态。
电子在原子核外的排布遵循能量最低原理，保里原理和洪特规则。
