原子究竟是个什么样子
根据量子力学，电子既是粒子同时也是波，具有波粒二象性。电子既然是波，就可以列出它的波动方程，对波动方程进行求解，可以得到电子的行为状态。原来，处于不同能级的电子在空间的状态是一种几率分布，这就是我们所说的“电子云”。可以这样理解，在某一时刻，我们不可能知道电子的具体运动方式，但可以知道处于某一能态的电子在哪里几率低、在哪里几率高。换句话说，一个电子在它存在的区域内可以在无数个地点同时存在，我们只能知道它在哪里出现的可能性更大。这的确是一种难以理解的描述，但只有这样才能很好地说明各种各样的实验结果。
比如“s轨道”电子云的空间分布是个以原子核为中心的球形，电子越靠近球心几率密度越高，电子云基本呈球对称分布，这个“球”中可以容纳2个电子；而p轨道则像一个“哑铃”，有3种取向，所以有3个“哑铃”，每个可以容纳2个电子，一共可以容纳6个电子。
每2个电子形成1种类型的电子云（只有1个电子时电子云形状也是一样的），在原子中，不同的电子云是以原子核为中心叠加在一起。比如氖原子有10个电子，就有5种电子云，有1s、2s、2p（3个方向，分别是2px、2py、2pz），重叠在一起形成一个整体的电子云“球”，但每个电子仍在各自的电子云中运动。氧原子有8个电子，根据Hund规则也有5种电子云。铀原子有92个电子，有超过46种形状的电子云，重叠在一起形成一个由各种形状的电子云构成的“更均匀的球”。
Hund规则指能级相同的轨道只有被电子逐一自旋平行地占据后，才能容纳第二个电子。打个比喻，如果有一排规格相同的双人房间，先来的都是同性的客人，每个人都“乐意”选择一个空房间住下，住满之后，再来的客人必须为异性，逐个挤进只住了一个人的房间，“和谐”相处。2p轨道共有3个“房间”，能容纳6个电子，最先来的电子先占据空“房间”，它们自旋一致，从第4个电子（自旋相反）开始，依次填充先前已有1个电子的“房间”。如氧原子有8个电子，其2p“轨道”共4个电子，3个电子先占满3个“轨道”，另1个电子才去与其中的1个电子共用“轨道”。
4个壳层的电子云
图中列出了根据量子力学计算出来的原子从最内侧的K壳层到N壳层的电子云。各电子云右上角的数字和字母组合为该电子云的名称。电子云的形状取决于如下3个要素。第一个要素，电子云到原子核的距离。也就是壳层数（叫做“主量子数”），依次分为K、L、M、N⋯⋯第二个要素，电子云的基本类型。同一壳层上电子运动的角动量分级（叫做“角量子数”），分别称为s、p、d、f⋯⋯与主量子数一起决定电子云形状。距离原子核越远，电子云越复杂。第三个因素，电子云的伸展方向（叫做“磁量子数”）。例如上表中的2p格子内的“×3方向”，表示2p电子云有上下、左右和前后3个伸展方向。
化学键只是电子行为的表现
在化学反应中，会形成几种化学键，把原子结合在一起，所谓化学键就是原子之间的结合力。化学键的本质是原子的电子云重叠产生的电磁力。单个原子在正常情况下都是电中性的，电子云图像比较对称。但当2个原子碰到一起时，相互靠近到一定距离（核间距约2、3个原子尺度），2个原子的电子云就会相互干扰，发生变形重叠，产生电磁吸引力。随着原子相互吸引进一步靠近，电子云进一步交叠合并，形成一个新的覆盖2个原子的大电子云（不同的原子电子云会有偏离）。当2个原子核靠近到足够近时，由于原子核带正电，核之间的排斥力增强，最终抵消电子云重叠产生的吸引力，达到平衡，2个原子就这样结合在一起。
我们以氢原子为例来说明原子结合的过程。氢原子只有1个电子，直径大约为0.11纳米（1纳米等于10-9米），电子云为1s型，是最简单的电子云。当2个氢原子靠近时，电子云相互影响而变形，产生引力，并使电子云重叠在一起，形成1个新的电子云。这个新的电子云绕2个氢原子核分布，在两核之间出现的几率最大，相当于在两核之间存在一个带有负电荷“区域”，把两个带正电的原子核吸引在一起。当两个核靠近到0.074纳米时，电子云的吸引与两核之间的排斥（靠近时电子也有排斥）达到平衡，此时，2个氢原子结合在一起成为1个相对稳定的氢分子。
两个氢原子的势能曲线
这样形成的氢分子的结合力就是所谓的共价键，其中2个电子的自旋必须相反才能共处一个电子云，被2个氢原子核共用，所以称为“共用电子对”。如果2个电子自旋相同，则不能成对，不能形成共价键。
推而广之，如果A、B两原子各有一个成单电子，当A、B相互接近时，两个电子以自旋相反的方式结成电子对，即两个电子的电子云相互重叠，则体系能量降低，形成化学键，即1对电子形成1个共价键。同样道理，形成的共价键越多，体系能量越低，形成的分子越稳定。因此，各原子中的未成对电子尽可能多地形成共价键。
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