原子内带正电的密实部分集中于一个很小的核，带负电的电子分布于核外，中性原子的核外电子数等于原子序数Z。Z个电子在核外如何分布是物理学和化学感兴趣的问题。按照量子力学[1]，原子内的电子可处于各种可能的定态，电子的运动状态由n、l、ml、ms4个量子数描述。这4个量子数的取值规则是主量子数取正整数1、2、3、4、5…；对于每个n，角量子数l可取0、1、2、…n－1，共n个值；对于每个l，磁量子数m可取－l、－l＋1、…、l，共2l＋1个值，自旋磁量子数ms取,或-。具有相同主量子数n的电子构成一个壳层，相同n按不同l又分为若干个支壳层，对应于l＝0、1、2、…的支壳层分别用s、p、d、t表示。原子核外电子的排布遵从两条规律：①泡利不相容原理。原子内不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数。由此可确定原子内每个支壳层可容纳的电子数为2l＋1个，每个壳层可容纳的电子数为2n2个，对于第1、2、3、4等壳层可容纳的电子数分别为2、8、18、32、50。②能量最低原理。电子尽可能先填充能量较低的状态，各状态能量高低的顺序可由经验规律 n＋0.7l值的大小加以判断。由此可以确定随着原子序数增大，核外电子填充支壳层的顺序是：
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f…电子的壳层排布与元素周期表一致，很好地说明元素的物理、化学性质周期性根源是原子内电子的壳层排布。壳层模型可以相当好地解释大多数核基态的自旋和宇称，对核的基态磁矩也可得到与实验大致相符的结果；但对电四极矩的预计与实验值相差甚大，对核能级之间的跃迁速率的计算也大大低于实验值，这些不足导致了核的集体模型的诞生。
