每一种元素都是通过它的原子序数来定义的，原子序数就是该元素的每一个原子的原子核中带正电荷的质子的数目。这些质子和数目相等的带负电荷的电子相匹配，而那些电子则位于围绕着原子核的“轨道”中。“轨道”之所以被加上引号，是因为这些电子实际上并不像行星那样在围绕着恒星的轨道上运行。事实上，我们根本不能谈论电子是如何移动的。相反，电子是以“电子云”的方式存在的，也就是说我们只能知道它出现在某处的可能性比其他的地方大，但无法预测它在某个时刻处于某个确定的位置。以下的图显示了围绕着核的电子概率云的各种三维形状。

       第一种类型的轨道称为s轨道，它是完全对称的，也就是说电子在各个方向上出现的概率相同。第二种类型称为p轨道，它有两个叶瓣，这意味着电子出现在原子核的这一侧或另一侧的概率要比出现在两个叶瓣之间的可能性更大。

       s轨道只有一个，但p轨道却有三个，其叶瓣分别指向三个互相垂直的方向（x，y，z）。类似地，d轨道有五个，f轨道有七个，并且叶瓣的数目逐渐增加。（你可以把这些形状想像为三维驻波。）

       每一种类型的轨道可以有不同的大小，例如，1s轨道是个小球，2s轨道是个比较大的球，3s轨道则是个更大的球，等等。随着轨道数量的增加，处于轨道中的电子的能量会增大。在其他条件都相同的情况下，电子总是处于最小的、能量最低的轨道中。

       那是不是说原子中的所有电子都挤在能量最低的1s轨道中呢？不是的。按照量子力学早期历史中一个最基本的发现：任何类似电子那样的两个粒子（称为费米子）不可能同时处于完全相同的量子态中。因为电子具有一种称为“自旋”的内部状态，它可以是向上或是向下的。这就是说，在一个给定的轨道中只能容纳两个电子——一个自旋向上，一个向下。

       氢只有一个电子，因此这个电子就处于1s轨道中。氢有两个电子，刚好填满1s轨道，满足1s轨道可以容纳两个电子的要求。锂有三个电子，由于1s轨道已经没有多余的空间，第三个电子就只好呆在能量较高的2s轨道中。依此类推、每个电子都会按照能量递増的次序填满轨道。

       从电子填充顺序图就会看到该元素原子核中的电子是如何填充从1s到7p轨道的，其中的红条表示其代表的轨道已经被电子填充（7p是已知元素中被电子占据的能量最高的轨道）。轨道填充的准确顺序是出人意料地微妙和复杂。特别要注意钆（64）前后的元素。

       正是这个填充顺序决定了元素周期表的形状。周期表最左侧的两个纵列代表最外层电子填充了s轨道，接下来的十个纵列代表最外层电子填充了五个d轨道，最后的六个纵列代表最外层电子填充了三个p轨道。最后，但并非最不重要的是，14种稀土元素的最外层电子会填充七个f轨道。（如果你问自己，为什么第2号元素氦不是放在第4号元素铍的上面，那么我祝贺你，你已经像一位化学家而不是像一位物理学家那样思考问题了。）