กลศาสตร์ควอนตัม
กลศาสตร์ควอนตัม () เป็นสาขาหนึ่งในทฤษฎีรากฐานของฟิสิกส์ ที่มีความสามารถในการอธิบายผลการทดลองต่างๆ และถูกใช้แทนที่กลศาสตร์นิวตัน (หรือกลศาสตร์ดั้งเดิม) และ กลศาสตร์ไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ (หรือทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งกลศาสตร์ดั้งเดิมเหล่านี้ไม่สามารถใช้อธิบายปรากฏการณ์ในวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม แต่กลศาสตร์ควอนตัมนั้นสามารถคำนวณได้แม่นยำมากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อขนาดของวัตถุที่สนใจนั้นเล็กถึงขนาดอะตอม จึงกล่าวได้ว่ากลศาสตร์ควอนตัมนั้นเป็นรากฐานเบื้องต้นของฟิสิกส์ที่มีความสำคัญมากกว่ากลศาสตร์นิวตันและกลศาสตร์ไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ หรือใกล้เคียงกับความจริงมากกว่านั่นเอง
อะตอม
เช่นเดียวกับอนุภาคอื่น อิเล็กตรอนมีคุณสมบัติแบบทวิภาค คือเป็นทั้งอนุภาคและเป็นทั้งคลื่น เมฆอิเล็กตรอนเป็นบริเวณภายในหลุมพลังงานที่อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะสร้างคลื่นนิ่ง 3 มิติประเภทหนึ่งขึ้น อันเป็นรูปคลื่นที่ไม่เคลื่อนที่ตามนิวเคลียส พฤติกรรมนี้ถูกกำหนดจากออร์บิทัลของอะตอม ซึ่งเป็นฟังก์ชันคณิตศาสตร์ที่แสดงคุณสมบัติความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะปรากฏตัวขึ้นที่จุดเฉพาะหนึ่ง ๆ ขณะที่ถูกวัดตำแหน่ง รอบ ๆ นิวเคลียสจะมีออร์บิทัลที่ไม่ต่อเนื่องกันล้อมรอบอยู่ในลักษณะของควอนตา ทั้งนี้เพราะรูปแบบคลื่นอื่นที่เป็นไปได้จะสลายตัวไปอย่างรวดเร็วเข้าสู่สถานะที่เสถียรมากกว่า ออร์บิทัลอาจมีลักษณะวงแหวนหนึ่งวง หลายวง หรือเป็นโครงสร้างโหนดก็ได้ ซึ่งมีความแตกต่างจากออร์บิทัลอื่น ๆ ทั้งด้านขนาด รูปร่าง และศูนย์กลาง