20世纪初，物理学的革命性发展，带动着化学的发展，其中以下列三个方面对化学的影响最大：（1）能量量子化和量子力学；（2）光电效应和光子学说；（3）电子衍射和电子的波性。

       早在19世纪初，道尔顿提出原子学说，认为元素的最终组成者是原子，原子是不能创造、不能毁灭、不可再分，在化学变化中保持不变的微粒。但是不到一百年，化学家们于19世纪末相继发现了天然放射性、阴极射线（即电子流）和X射线。1887年汤姆孙发现了电子，原子是由原子核和电子组成，打开了原子内部结构的大门。20世纪初，根据原子光谱和α粒子穿透金箔等实验，卢瑟福提出原子结构的行星绕太阳的模型。1913年，玻尔综合普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说和卢瑟福原子模型提出氢原子结构，即一个电子绕氢原子核旋转的模型，并用以解析氢原子光谱，使人们了解氢原子中电子运动的速度、绕核运转时电子离核的距离，给出了电子从一个轨道到另一个轨道所需的能量，并和氢原子光谱的波长联系起来，大大加深了人们对原子的认识。

       20世纪20年代，量子力学建立，化学家们将量子力学用于化学，形成了量子化学，推引出原子核外的电子并不像“行星绕太阳”方式按轨道运行，而是统计地按波动的方式需用波函数来了解电子的情况。这种描述原子中电子的波函数仍按旧称，叫原子轨道（AO，atomic orbital）；描述分子中电子的波函数称分子轨道（MO，molecular orbital）。AO和MO都像波一样，可以为+值、-值或0值。同号叠加可以增大，异号叠加互相就会抵消，可变为0，这样为原子间形成化学键得到理论依据。例如两个H原子接近时，它们的1s轨道互相叠加，即波函数同号相加增大，核间电子云（即波的振幅或波函数平方值）也增大，核间增大的电子云同时受到两个核的静电吸引，使能量降低，形成稳定的分子，这就是共价键的本质。

       晶体是原子或分子按一定的周期规律排列形成的固体物质。它周期的大小和X射线的波长相当。当X射线照射到晶体上，会产生衍射效应。1912年劳埃和布拉格父子开创X射线衍射法，在开头的十多年测定出许多无机化合物的晶体结构。到二三十年代测定了尿素、六次甲基四胺等简单有机化合物的晶体结构。四五十年代测定了青霉素等较复杂的药物分子的晶体结构，并开始对氨基酸、蛋白质和核酸等生物物质进行研究。60年代以后，随着计算机和衍射仪的发展，收集衍射数据的速度、精确度和自动化程度大大提高，解晶体结构的直接法为解晶体结构作出突出贡献。到20世纪末，可以说只要化学家合成和培养出晶体（直径0．1mm即可），绝大多数在两三天内就可以得到完整而精确的晶体结构数据，从中详细地获得晶体的对称性、分子的立体构型和构象、分子间的堆积和相互作用、各个原子的热振动幅度以及原子间化学键的情况。晶体结构测定已成为研究化学问题所必须具备的方法。