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

ساختمان اتم:
هر اتم به صورت سیستم یكی از بارهای الكتریكی ظاهر می شود. هسته دارای بار مثبت و الكترون های در حال چرخش در اطراف آن دارای بار منفی می باشد. چون تمركز جرم اتم در هسته اش می باشد. چنین به نظر می رسد كه تقریبا تمامی وجود ماده با بار مثبت توام است كه به مقدار زیادی ، خواص دنیای اطراف ما را تعیین می كند.
اختلاف بین مواد شیمیایی مثلا اكسیژن و آهن فقط به واسطه این واقعیت است كه هسته اتمی اكسیژن محتوی 8 بار مثبت و آهن محتوی 26 بار مثبت بوده و لایه های هر اتم دارای همان تعداد الكترون می باشد بیشتر واكنشهای شیمیایی در طبیعت نتیجه عكس العمل بین الكترونهای خارجی است كه بطور نسبی بیشترین فاصله را از هسته دارا می باشند.
برای مدتها تصور می شد كه الكترون ساده ترین و كوچكترین ذره در جهان است. الكترون های تمامی مواد كاملا یكسان و مشابه هم می باشند. چه در آب یا چوب یا آهن تحت هیچ شرایطی ممكن نیست كه بار الكتریكی مثبت یا منفی كوچكتر از بار مطلق یك الكترون وجود داشته باشد.
قوانین حاكم بر حركت الكترون:
در طی مطالعات زیاد معلوم شده كه قوانین حركتی اثبات شده برای مواد بزرگ را نمی تواند بطور كامل برای الكترونهای داخل اتم به كار رود. در اجسامی كه یكصد میلیونیم سانتی متر بعد دارند به كلی قوانین متفاوتی مطرح می شود. در مقایسه با منظومه شمسی یا هر سیستم مكانیكی عظیم الجثه ای كه می تواند با توجه به سرعت اولیه اش در هر مسیری حركت كند.
الكترون ها در اتم مجبورند كه فقط در طول مدارهایی حركت كنند كه مربوط به مقادیر معین انرژی و همان مغناطیسی آنها می شود. به طوری كه الكترون نمی تواند مقادیر دیگری انرژی را جز مقادیر فوق الذكر داشته باشد. طبیعت منفرد و غیر متوالی مكان الكترون ها در مدارها یا به طور دقیق تر وجود مقادیر دقیقاً معین از انرژی در اتم یكی از خواص اساسی تئوری مكانیك كوانتومی است.
بر طبق تئوری كوانتومی انتقال یك الكترون از یك مدار به مدار دیگر یعنی از یك حالت انرژی به حالت دیگری از انرژی در اتم با جذب یا پخش یك بار انرژی دقیقا معین همراه است. اگر یك حالت معین انرژی بوسیله یك الكترون اشغال شود، الكترون دیگر نمی تواند آن را اشغال نماید و یك اتم نمی تواند دو الكترون با حالت انرژی یكسان داشته باشد.
از تمام حالات ممكنی كه یك الكترون می تواند در یك اتم داشته باشد در اولین حالت آن الكترون كمترین مقدار انرژی را داشته در نتیجه به شدت جذب هسته شده و در داخلی ترین مدار الكترونی نزدیك به هسته متمركز می گردد. بنابر این ، همه الكترونها نمی توانند در یك سطح انرژی متمركز شوند و هر الكترون بعدی سطح انرژی بیشتری را اشغال كرده و بقیه سطوح غیراشغال شده باقی می مانند. این قانون كه نشان دهنده پخش الكترون در تمام عناصر به ترتیب افزایش انرژی می باشد، حالت كوانتومی نام دارد.
خواص شیمیایی یك اتم بستگی به مقدار و ترتیب الكترون ها در مدار الكترونی دارد.
مدار الكترونی 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 ، نزدیك به خواص شیمیایی تناوب اول است.
ترتیب الكترون ها در اتم لیتیوم شبیه اتم سدیم است (با سطوح انرژی متفاوت تناوب بعدی). شكل الكترونی 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 جداكردن خارجی ترین الكترون ها در اتمی مثلا لیتیوم لازم است كه انرژیی معادل 5.39 الكترون ولت مصرف شود. برای دو الكترونی كه به هسته نزدیك 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 الكترون ها (مستقل از نوع اتمهایشان) در یك هادی یا نیمه هادی جریان الكتریسته خوانده می شود.
انتقالات مجاز الكترونی بین ترازی:
زمانی كه یك اتم از خارج انرژی دریافت می كند این انرژی در بسته های دقیقا معین كوانتا جذب اتم می گردد و الكترون ها به مدارهای دورتر از هسته به سطوح انرژی بالاتر جابه جا می شوند و جذب بیشتر كوانتای انرژی به وسیله اتم باعث انتقال بیشتر الكترون از هسته می گردد. این حالت كه اتم به صورت تحریك شده در آمده نمی تواند برای مدت طولانی دوام بیاورد و با برگشتن الكترون به حالت قبلی اتم نیز به حالت عادی خود بر می گردد.
قسمت زیادی از انرژی الكترون تحریك شده به صورت كوانتایی از اشعه الكترومغناطیس پخش می شود زمانی كه این انتقال الكترونی در خارجی ترین لایه ها انجام گیرد كه انرژی اتصال الكترون به هسته كمترین مقدار است، كوانتایاشعه مادون قرمز ، نورمرئی یا اشعه ماورای بنفش پخش می گردد.
در زمانی كه الكترون ها به اربیتالهای نزدیك هسته منتقل شوند (برای مثال پرش به یك یا چند مدار) كوانتای پر انرژی تری از تشعشعات الكترومغناطیسی «اشعه ایكس محتوی انرژی چند برابر بیشتر از تابش مادون قرمز و ماورای بنفش) منتشر می شود.