現在人們普遍以“電子雲“來形容原子的結構，就好像一團”霧氣”（電子），分佈於極小的星球（原子核）四周。只有原子中存在唯一電子時，原子軌道才能精準符合“圓形氣團”的形狀。當原子中有越來越多電子時，電子越傾向均勻分佈在原子核四周的空間體積中，因此“電子雲”傾向分佈在特定球形區域內（區域內電子出現機率較高）。
電子雲的想象圖
電子在核外運動的軌跡稱之為”軌道“（orbital），它以一個波函數來表示，表示電子出現的概率趨勢，（為易於理解，把它想象成軌道）。具有動量較大的電子在離核越遠的地方運動，而動量較小的則在離核較近的地方運動。電子較少的，軌道相對較少，核外電子較多的，軌道也較多。軌道也分大小，一個大軌道可以包含數條小軌道。軌道像皮球一樣，以原子核為中心，一層一層的包裹著。
原子結構想象圖
因為原子的能量是量子化的，原子核外電子運動的軌道是不連續的。我們把大軌道稱之為能層，小軌道稱之為能級。
能層用n來表示，也叫主量子數。n的取值為正整數1、2、3、4、5、6、7；表示具有不同能量的層級。光譜學對應符號為K、L、M、N、O、P、Q。一般而言：n越大，電子層的能量越高。
能級（也叫電子亞層），以角動量子數（I）來表示，當n值一定時，I只能取0，1，2，3…(n-1)等值，代表電子的角動量的大小。光譜學對應命名為s，p，d，f四個能級。從理論上說，將會出現第五個能級。
能層與能級的取值遵循一定的規則：
1.能層決定了電子具有多少能量，能級則是電子運動的狀態的描述。
2.即每個電子層所容納的電子個數有限，為2n∧2個，但當一個電子層是原子的最外層時，它至多隻能容納8個電子，次外層最多容納18個。
比如：主量子數（n）取值為1，2，3，4，5，6，7，光譜學分別為:K,L,M,N,O,P,Q層;電子數則為（2）,（2.8),（2.8.8）,（2.8.18.8）,(2.8.18.18.8),(2.8.18.32.8),(2.8.18.32.32.18.8)。
3.主量子數和角量子數的關係可以舉例來說明：主量子數（n）取值為1，2，3，4；光譜學分別為:K,L,M,N；角量子數（I）則取值為：(0),(0.1),(0,1,2)(0,1,2,3);這裡我們可以看到，隨著能層的增高，能級也會隨之增加。反應在光譜上就表示：(1s),(2s.2p),(3s.3p.3d),(4s.4p.4d.4f)。
氫原子波函數光譜圖
s軌道、p軌道、d軌道、f軌道則分別代表角量子數l=0, 1, 2, 3的軌道。它的名稱源於對其原子光譜特徵譜線外觀的描述，分為銳系光譜（sharp）、主系光譜（principal）、漫系光譜（diffuse）、基系光譜（fundamental）。它們之間的能量有大小之分，這種現象稱為“能級分裂”，主要原因是核外電子間靜電力的相互排斥，減弱了原子核對電子的吸引：s能級的電子排斥p能級的電子，把p電子“推”離原子核，p、d、f之間也有類似情況。
電子軌道波函數概率圖
還有在磁場的影響下，不同層級的原子軌道，可以在空間取不同的伸展方向，從而得到幾個型狀不同的原子軌道。我們用磁量子數Me是描述原子軌道或電子雲在空間的伸展方向。磁量子數m取值受角量子數l制約，對於給定的l值，m的取值是一定的。
s軌道的運行用波函數圖像表達近似球型：I=0，電子雲的形狀是球形對稱的，用符號s表示，也稱s亞層；
p軌道在x,y,z軸三個方向波函數圖像：I=1，電子雲呈啞鈴形，用符號p表示，也稱p亞層；
d軌道五種不同的波函數圖像：I=2，電子雲常呈四瓣形，用符號d表示，也稱d亞層；
f軌道七種不同的波函數圖像：I=3，用符號f表示，也稱f亞層，電子雲形狀比較為複雜。
原子中電子除了以極高速度在核外空間運動之外，也還有自旋運動。電子有兩種不同方向的自旋，即順時針方向和逆時針方向的自旋。自旋是電子的內賦稟性，每個軌道最多可以容納兩個自旋相反的電子。
電子的自旋磁矩與自旋動量矩是成正比的，而方向相反。自旋磁矩在外磁場中只能有兩個取向。自旋動量矩也是空間量子化的，它在外磁場方向的投影也只有兩個數值。
電子軌道排布（能量由低到高）
電子在原子軌道的運動排布遵循三個基本定理：能量最低原理、泡利不相容原理、洪德定則
1.能量最低原理的意思是：核外電子在運動時，總是優先佔據能量更低的軌道，使整個體系處於能量最低的狀態。
2.泡利不相容原理:①若兩電子處於同一軌道，其自旋方向一定不同；②若兩個電子自旋相同，它們一定不在同一軌道；③每個軌道最多容納兩個電子。
3.洪德定則:電子在簡併軌道上排布時，將盡可能分佔不同的軌道，且自旋平行 。
電子的狀態
原子的電子在離核最近的電子層上運動，這時並不放出能量，此時的電子所處的狀態稱為“基態”。當原子從外界獲得能量（如灼熱、放電、輻射能等），它的電子可以躍遷到離核較遠的電子層上，此時的電子所處的狀態稱為“激發態”。當電子從離核較遠的電子層躍遷到能量相對更低也離核更近的電子層時，就會以光的形式放出能量。
在外部磁場存在的情況下，許多原子譜線還會發生了更細的分裂，這個現象被叫做塞曼效應（因外電場而產生的裂分被稱為斯塔克效應），這種分裂在無磁場和電場時不存在。
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