化學(xué)是研究物質(zhì)變化的科學(xué)。目前人們把客觀存在的物質(zhì)劃分為實(shí)物和場兩種基本形態(tài)，化學(xué)研究的對象是實(shí)物，場不屬于化學(xué)研究的范疇。就物質(zhì)構(gòu)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(zhì)構(gòu)造的層次中，化學(xué)研究的對象只局限于原子，分子和粒子這一層次上的實(shí)物。
另外，物質(zhì)的運(yùn)動包含有多種形式，化學(xué)的研究內(nèi)容僅限于研究物質(zhì)的化學(xué)運(yùn)動即化學(xué)變化。在化學(xué)變化過程中，分子，原子或離子因核外電子運(yùn)動狀態(tài)的改變而發(fā)生分解或化合，形成新的物質(zhì)。雖然，在化學(xué)變化后生成了新的物質(zhì)，但整個過程中不涉及原子核的改變。由于物質(zhì)的化學(xué)變化基于物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，而物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)同物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。所以物質(zhì)的組成，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)必然成為化學(xué)研究的內(nèi)容。
物質(zhì)在性質(zhì)上的差別是由于物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同引起的。在化學(xué)變化中，原子核并不發(fā)生變化，只是核外電子的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化。因此要了解和掌握物質(zhì)的性質(zhì)，尤其是化學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律，首先必須清楚物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，特別是原子結(jié)構(gòu)及核外電子的運(yùn)動狀態(tài)。
1.1 核外電子的運(yùn)動狀態(tài)
19世紀(jì)末，人們企圖從理論上解釋原子光譜現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典電磁理論及有核原子模型跟原子光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)生尖銳的矛盾。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，繞核高速旋轉(zhuǎn)的電子將不斷的以電磁波的形式發(fā)射出能量。這將導(dǎo)致兩種結(jié)果：
電子不斷發(fā)射能量，自身能量會不斷減少，電子運(yùn)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(yùn)動的頻率也要逐漸的改變。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，輻射電磁波的頻率將隨著旋轉(zhuǎn)頻率的改變而變化，因而原子發(fā)射的光譜應(yīng)該是連續(xù)光譜。
事實(shí)上，原子是穩(wěn)定存在的而且原子光譜不是連續(xù)光譜而是線狀光譜。這些矛盾都是經(jīng)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(rèn)為能量像位置微粒一樣是不連續(xù)的，它具有微小的分立的能量單位----量子。物質(zhì)吸收或發(fā)射的能量總是量子能量的倍數(shù)。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(shù)，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(xué)說和盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上，提出了原子結(jié)構(gòu)理論的三點(diǎn)假設(shè)：
電子不是在任意軌道上繞核運(yùn)動，而是在一些符合一定條件的軌道上的運(yùn)動。這些軌道的角動量，必須是h/2π的整數(shù)倍，h為普朗克常數(shù)。這些符合量子化條件的軌道稱為穩(wěn)定軌道，它具有固定的能量E。電子在這些軌道上運(yùn)動時，并不放出能量。
電子在離核越遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)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(tài)。當(dāng)原子從外界獲得能量時電子可以躍遷到離核較遠(yuǎn)的軌道上去，即電子被激發(fā)到較高能量的軌道上。這時原子和電子處于激發(fā)態(tài)。
處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)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(fā)光現(xiàn)象，氫原子光譜的規(guī)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(xì)結(jié)構(gòu)，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(jì)初，人們根據(jù)光的干涉，衍射和光電效應(yīng)等各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象認(rèn)識到光既有波的性質(zhì)又具有粒子的性質(zhì)，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(xué)說，結(jié)合相對論中的質(zhì)能方程，可以推出光子動量P和波長λ之間的關(guān)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(zhì)通過普朗克常數(shù)定量的聯(lián)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(xué)家德布羅意，大膽的提出了實(shí)物粒子，電子，原子等也具有波粒二象性的假設(shè)。并預(yù)言高速運(yùn)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(zhì)量，v為粒子運(yùn)動速度
這種波通常叫做物質(zhì)波，也成德布羅意波。
1927年，電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了德布羅意的假設(shè)。
波粒二象性是微觀粒子的運(yùn)動特征，因此描述微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律不能沿用經(jīng)典的牛頓力學(xué)，而要用描述微粒運(yùn)動的量子力學(xué)。
1.1.3 測不準(zhǔn)原理
在經(jīng)典力學(xué)中，人們能準(zhǔn)確的同時測定一個宏觀物質(zhì)的位置和動量。但量子力學(xué)認(rèn)為：對于具有波粒二象性的微觀粒子，人們不能同時準(zhǔn)確的測得它的空間位置和動量。
1927年，德國物理學(xué)家海森堡提出了量子力學(xué)中的一個重要光線式-----測不準(zhǔn)關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
Δx·ΔP ≧ h/2π
Δx：位置不準(zhǔn)量，ΔP：速度不準(zhǔn)量
其含義是：當(dāng)用位置和動量這兩個物理量來描述微觀粒子的運(yùn)動時，只能達(dá)到一定的近似程度。即粒子在某一方向上位置的不準(zhǔn)量和在此方向上動量不準(zhǔn)量的乘積一定大于或等于h/2π。
這說明粒子位置的測定準(zhǔn)確度越大，則相應(yīng)的動量準(zhǔn)確度就越小，反之亦然。測不準(zhǔn)關(guān)系很好的反映了微觀粒子的運(yùn)動特征。
1.2 核外電子的排布規(guī)則
海森堡的測不準(zhǔn)原理，否定了波爾提出的原子結(jié)構(gòu)模型。因?yàn)楦鶕?jù)測不準(zhǔn)原理，不可能同時準(zhǔn)確的測定電子的運(yùn)動速度和空間位置，這說明波爾理論中核外電子的運(yùn)動具有固定的軌道的觀點(diǎn)不符合微觀粒子運(yùn)動的客觀規(guī)律。宏觀物體的運(yùn)動狀態(tài)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(lǐng)域里，具有波粒二象性的粒子要用波函數(shù)ψ來描述。微觀粒子的運(yùn)動，雖然不能同時準(zhǔn)確的測出位置和動量，但它在某一空間范圍內(nèi)出現(xiàn)的幾率卻是可以用統(tǒng)計(jì)的方法加以描述的。波函數(shù)就和它描述的粒子在空間某范圍出現(xiàn)的幾率有關(guān)。
波函數(shù)ψ是量子力學(xué)中描述核外電子在空間運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式，一定的波函數(shù)表述一種電子的運(yùn)動狀態(tài)，量子力學(xué)中常借用經(jīng)典力學(xué)中描述物體運(yùn)動的“軌道”的概念，把波函數(shù)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(yùn)動軌道是根本不同的，它只是代表原子中電子運(yùn)動狀態(tài)的一個函數(shù)，代表原子核外電子的一種運(yùn)動狀態(tài)。
1.2.2 核外電子的排布規(guī)則
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(guī)則。
