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化学作为一门科学一直处在发展的过程中，人类对原子结构的认识和理解也是在一步步发展的。这个过程中早期的一些里程碑式的理论及实验包括：
（1）道尔顿模型（Dalton's Model）
道尔顿认为原子是坚实不可再分的实心球。
（2）汤姆逊模型（Thomson's Model）
汤姆逊通过阴极射线管（cathode ray tube）实验发现了电子，否定了原子不可再分的理论，提出了原子“汤姆逊模型，又称枣糕模型、葡萄干蛋糕模型、梅子布丁模型”，认为原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子。
（3）密立根油滴实验（Millikan's Oil Drop Experiment）
密立根使带电油滴悬浮于电场中，此时作用于油滴的电场力与重力相等，由此计算出这颗油滴所带的电荷数，并最终求得每个电子的电量为1.6×10 -19 库伦（coulomb）。
（4）卢瑟福模型（Rutherford's Model）
卢瑟福通过观察射线轰击金箔实验，推断原子是由一个带正电荷的中心区域和环绕在这区域外面的电子所构成的。正电荷中心区域只占原子体积很小的一部分，却集中了原子几乎全部的质量。
（5）波尔模型（N. Bohr's Model）
波尔模型理论认为电子在一定轨道上绕核做高速圆周运动（下面会详细讲解）。
（6）电子云模型——原子轨道学说（Atomic Orbital Hypothesis）
电子云模型理论认为我们只能预测电子在某处出现的机会的多少，用电子云表示电子在某处出现的几率。电子云密度大的区域，说明电子在这个区域出现的几率大。
波尔提出的理论要点如下：
（1）定态假设：原子系统只具有一系列不连续的能量状态。在这些状态中，电子绕核做圆形轨道运动，不辐射也不吸收能量。在这些轨道上运动的电子所处的状态称为原子的定态。能量最低时（n=1）电子处在基态（ground state），此时氢原子半径（53pm）。当处于基态的原子中的电子接受外界能量时，电子就会由基态跳到较高能级上去，处于较高能级的原子状态称为原子的激发态（excited state）。
（2）量子化条件假设：氢原子核外电子的运动轨道不是连续的（与行星周围的卫星轨道不同），而是分立的，具有不同的能级，能量状态和电子运动轨道的半径都是由n决定，n的取值为1、2、3、4……，这种量子化的能量状态称之为能级。
波尔模型中相邻轨道之间的能级差并不是等大的，n=1和n=2之间的能级差最大，随着能级数n的增加相邻两个能级之间的能级逐渐变小。电子在能级n中具有的能量可以用上述公式计算。
（3）跃迁规则：电子吸收电磁波（即吸收能量）就会跃迁到能量较高的激发态。相反地，激发态的电子释放出能量（电磁波），电子就会落回到较低能量的激发态或者返回到基态。氢原子的电离（ionization）就是电子接受能量从基态（ n =1）跃迁到能级为n=+∞的激发态，此时电子与氢原子核分离，波尔模型如下图所示：
从上图可以看出，电子从能级n=1跃迁到能级n=2时所要吸收的光子能量是电子从能级n=2跃迁到能级n=+∞时的四倍，靠近基态附近的相邻两个能级之间的能量差大于远离基态的两个相邻能级的能量差。
（4）频率假设：原子由某一定态跃迁到另一定态时，就要吸收（absorb）或者发射（emit）出特定频率的光子。波尔模型中电子在任意两个能级之间跃迁所要吸收或者发出的光子的能量和频率可以用下表中公式计算。
德布罗意提出物质波假设学说，即所有物质均具有波粒二象性。
电子衍射实验（electron diffraction experiment）验证了德布罗意提出的波粒二象性假设学说，得出电子不仅是一种粒子（particle），同时也是一种波（wave），即咼速运动的电子具有波粒二象性。与运动着的实物粒子相关联的波称为物质波。任何高速运动的粒子均具有波动性。电子的波和粒子特征具有一定的关系，可用下面的方程表示：
测不准原理是指不可能同时准确地确定微观粒子的位置（position）和动量（momentum）。微观世界的粒子行为与宏观物质不一样，不确定性来自两个因素：首先，测量某一物体的行为将会扰乱该物体，从而改变它的状态（对一个物体的观测会改变这个物体）；其次，量子世界只能基于概率来描述，无法精确地确定一个粒子全部状态物理量。