一个物体如果把它打碎成为粉末，就可以认为物体是由这些粉末构成。如果把粉末再磨细，又会得到什么呢？几千年前，古代希腊人就提出最后物质是由不可再分解的微小“颗粒”——原子组成。通过现代科学使我们了解到：我们所看到的宇宙中所有的物体，无任是大的星球，还是小的生物，甚至于我们人自己都是由原子组成。根据科学家目前的研究结果，宇宙中的原子根据其质量（原子量）和在化学反应中的性质的不同有2百多种不同的原子（元素）。对于这些不同的原子构成的各种元素的特性，科学家进行了许多实际的测量，得出了它们的比较完整的特性数据。这些特性可以在元素周期表中方便地查出。这些数据对化学、生物学、材料科学等都提供了非常好的支持。

为了进一步了解这些物质元素特性的本质原因，需要对物质的基本组成原子的内部结构进行进一步的深入研究。原子是由什么组成的呢？是什么因素影响它们的特性？这就是现代物理研究的一个主要问题——原子的构成。

从上个世纪30年代开始，科学家就从对放射性物质的性质的研究出发，逐步了解到原子是由原子核和周围的电子构成，原子核又进一步是由带正电荷的质子和不带电的中子构成。原子核在原子中所占的体积很小（大约只有原子体积的千分之一），而质量比例很大（大约占原子质量的99.97%）。而原子中大部分是空的，是不停的运动的电子的空间。

对物质的微观结构的这些研究结果现在可能仅仅是中学课本的内容，可是直到上个世纪之前这些深入到原子内部的结构在最有水平的物理学家面前都还是一个非常艰深的问题。因为传统物理学理论都来自于实际的观测，而构成物质的原子已经是非常非常小的东西了，更不用说原子内部的结构更是难以直接观察到了。

事情的起源在1869年德国科学家希托夫发现阴极射线。以后，一大批科学家研究了阴极射线，历时二十余年。最终，汤姆生（Joseph John Thomson）发现了阴极射线是由带负电荷的电子流构成。通常情况下，原子是不带电的，既然从原子中能跑出比它质量小1700倍的带负电电子来，这说明原子内部还有结构，也说明原子里还存在带正电的东西，它们应和电子所带的负电中和，使原子呈中性。原子中除电子外还有什么东西，电子是怎么待在原子里的， 原子中什么东西带正电荷，正电荷是如何分布的， 带负电的电子和带正电的东西是怎样相互作用的等等一大堆新问题摆在物理学家面前。根据科学实践和当时的实验观测结果，物理学家发挥了他们丰富的想象力，提出了各种不同的原子模型。

这些模型都是根据原子的宏观表现来推测原子内部的结构，能够比较好地解释宏观物理现象的模型就逐渐被科学家接受。而那些与宏观现象不同太符合的就被淘汰。因为原子的尺寸太过微小，原子直径的数量级大约是10^-10m。原子的质量也极小，一般为10^-27克。直接观察它们非常困难。至于原子内部的结构更加微小，并且是处于高速运动和变化的。所以经典物理学的直接观测实验方式，在原子这个级别上的研究已经不能适应了。科学家必须要发展一些新的研究方法来测量这些物质的微观结构。

原子中对物质的性质影响最大的是在原子核周围不停地高速运动的电子。当科学家来研究这些电子的运动形式时，发现与我们熟悉的经典物理学所描述的情况是大不相同。根据经典物理学的理论带有负电荷的电子在围绕带正电荷的原子核运动时，应该以电磁波的形式辐射出能量，然后随着电子运动能量的消耗，最后电子会被带正电的原子核吸引住。如果是这样的情况，物质就会在极短的时间内失去它们的形状。事实上，大多数的物质是非常稳定的，这说明经典物理学的规律对这些电子运动是不适用的。

首先比较好地说明原子中的电子运动情况的是波尔的层次模型，按照这个模型围绕原子核运动的电子是在一些固定的层次（能级）上运动，电子吸收一定的能量可以从低层次的能级上跃迁到高层次能级上去；而当某种原因电子从高层次能级跃迁到较低层次能级上去时会以光的形式释放出一些能量。这种原子的层次模型很好地说明了不同元素的原子在构成分子的各种化学反应中的性质和规律，著名的元素周期性就可以用电子在层次模型中的分布情况来完美地描述。组成原子核的质子和中子数（也确定了原子中电子的数量）决定了元素的物理和化学性质。所以，电子围绕原子核的运动特性是描述物质在原子和分子这个层次上的构成情况和性质的最重要的特性。在这个波尔的层次模型中，把经典物理学中自然界测量数值的连续变化规律改变为具有最小间隔的量子变化规律。量子化的变化规律是人类对物质运动规律认识的一次飞跃。

虽然现代物理学对物质的微观结构进行了非常深入的研究，但是就“原子”这个物质特性最重要的单位组织的具体结构，至今仍然还没有能够完全清楚描述出来。在我们生活的通常环境中，原子表现出非常稳定的物理特性，只有在少数情况下它才肯把它的内部构成“材料”——亚原子粒子释放出来，如自然中的放射性物质。在宇宙中的一些处于极端情况的地方，如高温、高压的恒星上，各种天体现象中，物质中的这些神秘的粒子才会非常活跃地表演。而在地球上，科学家只有在专门实验室，通过象粒子回旋加速器这种专门的设备来模拟这些极端的情况。在这些设备中使高能量粒子相互碰撞来得到那些短寿命的，在地球是难得一见的神秘粒子。对这些神秘的粒子的描述太专业化了，而且对我们这些普通的地球人也无法去具体了解它们，所以这里我们不去详细地描述它们了。

虽然，物质微粒的划分越来越奇异和微妙，但是与我们日常生活直接相关的还是构成物体的原子，是由电磁力支持的物质结构。我们周围世界的各种材料组成的物体，包括固体、液体、气体，金属、非金属、半导体等等，它们的物理和化学性质，都是构成这些物体的原子的集体性质的表现。如晶体（包括金属和很多非金属固体物质）的原子以某种规则排列，依靠原子之间的电子运动互相有规则地严密结合。我们所熟悉的金属的特性，如表面光泽、导电性、导热性等都与晶体原子的共有电子的运动有关。

特别要说到的是与我们的生活密切相关的电流的物质意义，一般学过物理的都知道电流是导体中的自由电子在电动势（电压）的作用下产生的流动。而电流产生的速度是光速（注意并不是电子运动的速度），是电磁场对导体中的自由电子产生驱动作用。根据量子理论，电流中的电荷之间的驱动力是相互交换光子的过程。量子力学理论不仅可以解释金属导体的导电特性，而且可以进一步说明一些半导体材料的导电特性。正是对半导体材料的导电特性的研究，人们开发了晶体管、集成电路器件，从而生产了大量的电子产品，包括计算机设备。这些电子产品给我们的生活带来了巨大的影响，现在人类的生产和生活都离不开电子技术。

对电流的进一步研究，科学家还发现了更加多的奇特的导电现象，如超低温下的超导；超高温下的等离子导电；晶体的压电特性等等。对于我们在自然界见到的物质的不同形态（固态、液态、气态和等离子态）下的特性的研究，也由于现代物理的发展而更加深入。如软物质物理学对液晶特性的研究，产生了现在大量使用的液晶显示器、液晶电视等。对晶体和气体光特性的研究，产生了激光器件，在通信和信息领域等到广泛的使用。……

今天现代物理学对物质微观结构的研究还在继续之中。但是对于技术应用来说，这些微观结构的描述已经能够比较好的满足应用要求了。比如波尔的原子层次模型结合量子力学理论就是在各种技术应用中比较广泛运用的一种物质原子结构描述。也就是说，在物质的微观结构的研究中，深入到不同的微观层次，需要不同的研究方法和论述理论。现代物理学在物质的微观结构的描述上有不同层次的理论成果。目前在原子层次上的描述是比较能够满足技术层面的需求的。而更加深入的原子内部的微观结构和运动规律就基本上仍处于理论阶段，实际的测量受到微观世界的测不准特性的限制，所以具体的描述方法和技术应用并不成熟。物质的原子内部的微观结构的研究仍是物理学家努力探讨的问题。