همچنانکه بشر عمیق و عمیق تر به مطالعه خواص مواد اطراف خود می پردازد با تعداد بیشتری از مظاهر نیروهای الکتریکی مواجه می شود انرژی الکتریکی برای بشر روشهای گوناگون و دقیقی در حل مسائل مختلف علم و انقلاب تکنولوژیک معاصر به ارمغان آورد.

ساختمان اتم:

هر اتم به صورت سیستم یکی از بارهای الکتریکی ظاهر می شود. هسته دارای بار مثبت و الکترون های در حال چرخش در اطراف آن دارای بار منفی می باشد. چون تمرکز جرم اتم در هسته اش می باشد. چنین به نظر می رسد که تقریبا تمامی وجود ماده با بار مثبت توام است که به مقدار زیادی ، خواص دنیای اطراف ما را تعیین می کند.

اختلاف بین مواد شیمیایی مثلا اکسیژن و آهن فقط به واسطه این واقعیت است که هسته اتمی اکسیژن محتوی 8 بار مثبت و آهن محتوی 26 بار مثبت بوده و لایه های هر اتم دارای همان تعداد الکترون می باشد بیشتر واکنشهای شیمیایی در طبیعت نتیجه عکس العمل بین الکترونهای خارجی است که بطور نسبی بیشترین فاصله را از هسته دارا می باشند.

برای مدتها تصور می شد که الکترون ساده ترین و کوچکترین ذره در جهان است. الکترون های تمامی مواد کاملا یکسان و مشابه هم می باشند. چه در آب یا چوب یا آهن تحت هیچ شرایطی ممکن نیست که بار الکتریکی مثبت یا منفی کوچکتر از بار مطلق یک الکترون وجود داشته باشد.

قوانین حاکم بر حرکت الکترون:

- در طی مطالعات زیاد معلوم شده که قوانین حرکتی اثبات شده برای مواد بزرگ را نمی تواند بطور کامل برای الکترونهای داخل اتم به کار رود. در اجسامی که یکصد میلیونیم سانتی متر بعد دارند به کلی قوانین متفاوتی مطرح می شود. در مقایسه با منظومه شمسی یا هر سیستم مکانیکی عظیم الجثه ای که می تواند با توجه به سرعت اولیه اش در هر مسیری حرکت کند.

- الکترون ها در اتم مجبورند که فقط در طول مدارهایی حرکت کنند که مربوط به مقادیر معین انرژی و همان مغناطیسی آنها می شود. به طوری که الکترون نمی تواند مقادیر دیگری انرژی را جز مقادیر فوق الذکر داشته باشد. طبیعت منفرد و غیر متوالی مکان الکترون ها در مدارها یا به طور دقیق تر وجود مقادیر دقیقاً معین از انرژی در اتم یکی از خواص اساسی تئوری مکانیک کوانتومی است.

- بر طبق تئوری کوانتومی انتقال یک الکترون از یک مدار به مدار دیگر یعنی از یک حالت انرژی به حالت دیگری از انرژی در اتم با جذب یا پخش یک بار انرژی دقیقا معین همراه است. اگر یک حالت معین انرژی بوسیله یک الکترون اشغال شود، الکترون دیگر نمی تواند آن را اشغال نماید و یک اتم نمی تواند دو الکترون با حالت انرژی یکسان داشته باشد.

- از تمام حالات ممکنی که یک الکترون می تواند در یک اتم داشته باشد در اولین حالت آن الکترون کمترین مقدار انرژی را داشته در نتیجه به شدت جذب هسته شده و در داخلی ترین مدار الکترونی نزدیک به هسته متمرکز می گردد. بنابر این ، همه الکترونها نمی توانند در یک سطح انرژی متمرکز شوند و هر الکترون بعدی سطح انرژی بیشتری را اشغال کرده و بقیه سطوح غیراشغال شده باقی می مانند. این قانون که نشان دهنده پخش الکترون در تمام عناصر به ترتیب افزایش انرژی می باشد، حالت کوانتومی نام دارد.

- خواص شیمیایی یک اتم بستگی به مقدار و ترتیب الکترون ها در مدار الکترونی دارد.

مدار الکترونی عناصر در جدول تناوبی:

- هر دوره تناوب از جدول تناوبی مطابق با شباهتهای موجود در خواص شیمیایی اتمها ساخته شده است. بنابر این ، خواص شیمایی مثلا تناوب دوم ، نزدیک به خواص شیمیایی تناوب اول است.

- ترتیب الکترون ها در اتم لیتیوم شبیه اتم سدیم است (با سطوح انرژی متفاوت تناوب بعدی). شکل الکترونی مشابهی را برای اتم پتاسیم داریم. در مورد اتمهای روبیدیوم و سزیوم همین شباهت وجود دارد. تمامی این عناصر متعلق به اولین گروه از جدول تناوبی یعنی گروه فلزات قلیایی می باشد.

- برای جداکردن خارجی ترین الکترون ها در اتمی مثلا لیتیوم لازم است که انرژیی معادل 5.39 الکترون ولت مصرف شود. برای دو الکترونی که به هسته نزدیک تر می باشند، چون با قدرت بیشتری به وسیله هسته نگهداری می شوند انرژی اتصال آنها با هسته به ترتیب برابر 75.6ev و 122.4ev می باشد.

- جریان مستقیمی از الکترون ها (مستقل از نوع اتمهایشان) در یک هادی یا نیمه هادی جریان الکتریسته خوانده می شود.

انتقالات مجاز الکترونی بین ترازی:

- زمانی که یک اتم از خارج انرژی دریافت می کند این انرژی در بسته های دقیقا معین کوانتا جذب اتم می گردد و الکترون ها به مدارهای دورتر از هسته به سطوح انرژی بالاتر جابه جا می شوند و جذب بیشتر کوانتای انرژی به وسیله اتم باعث انتقال بیشتر الکترون از هسته می گردد. این حالت که اتم به صورت تحریک شده در آمده نمی تواند برای مدت طولانی دوام بیاورد و با برگشتن الکترون به حالت قبلی اتم نیز به حالت عادی خود بر می گردد.

- قسمت زیادی از انرژی الکترون تحریک شده به صورت کوانتایی از اشعه الکترومغناطیس پخش می شود زمانی که این انتقال الکترونی در خارجی ترین لایه ها انجام گیرد که انرژی اتصال الکترون به هسته کمترین مقدار است، کوانتایاشعه مادون قرمز ، نورمرئی یا اشعه ماورای بنفش پخش می گردد.

- در زمانی که الکترون ها به اربیتالهای نزدیک هسته منتقل شوند (برای مثال پرش به یک یا چند مدار) کوانتای پر انرژی تری از تشعشعات الکترومغناطیسی «اشعه ایکس محتوی انرژی چند برابر بیشتر از تابش مادون قرمز و ماورای بنفش) منتشر می شود.