人们在研究原子核的同时，也对核外的电子进行了研究。知道了核电荷数，也就是知道了核外电子数，因为这两者总是相等的。但是这些电子在原子核外的状态是怎样的呢？它们是怎样分布的，怎样运动的呢？这还是一个秘密。
从大量的科学实验的结果中，人们知道了，电子永远以极高的速度在原子核外运动着。高速运动着的电子，在核外是分布在不同的层次里的，我们把这些层次叫做能层或电子层。能量较大的电子，处于离核较远的能层中；而能量较小的电子，则处于离核较近的能层中。
人们还发现，电子总是先去占领那些能量最低的能层，只有能量低的能层占满了以后，才去占领能量较高的一层，等这一层占满了之后，才又去占领更高的一层。第1层，也就是离核最近的一层，最多只能放得下两个电子。第2层最多能放8个电子。第3层最多能放得下18个电子，而第4层放的更多，最多能放32个电子……现在已经发现的电子层共有7层。不过，当人们对很多原子的电子层进行了研究以后发现，原子里的电子排布情况，还有一个规律，这就是：最外层里总不会超过8个电子。当人们把研究原子结构，特别是研究原子核外电子排布的结果同元素周期表对照着加以考察的时候，发现这种电子的排布竟然和周期表有着内在的联系。
为了说明的简便，我们只拿周期表中的主族元素同它们的核外电子排布情形对照着看一看。
先从横排——周期来看：在第一周期中，氢原子的核外只有1个电子，这个电子处于能量最低的第一能层上。氦原子的核外有两个电子，都处于第一能层上。由于第一能层最多只能容纳两个电子，所以，到了氦第1能层就已经填满，第一周期也只有这两个元素。在第二周期中，从锂到氖共有8个元素。它们的核外电子数从3增加到11.电子排布的情况是：除了第一能层都填满了两个电子而外，出现了一个新的能层——第二能层；并且从锂到氖依次在第二能层中有1～8个电子。到了氖第二能层填满，第二周期也恰好结束。在第三周期中，同第二周期的情形相类似。除了第1、2两个能层全都填满了电子外，电子排布到第三能层上，并且从钠到氩依次增加1个电子。到了氩，第三周期完了，最外电子层也达到满员——8个电子。
再从竖行——族来看：第一主族的7个元素——氢、锂、钠、钾、铷、铯、钫的最外能层都只有1个电子，所不同的只是它们的核外电子数和电子分布的层数。氢的核外只有1个电子，当然也只能占据在第1能层上；锂有两个能层，并且在第2能层上有1个电子；钠有3个能层，并在第三能层上有1个电子……钫有7个能层，并且在第三能层上有1个电子。由于在化学反应中，原子核是不起任何变化的，一般的情况下，只是最外层电子起变化。第一主族由于最外层都只有一个电子，因而它们表现出相似的化学性质，这当然就是很自然的事情了。完全类似，第二主族各元素的最外能层都有两个电子，第三主族各元素的最外能层都有3个电子……
当初，门捷列夫曾经在他自己编写的化学教科书《化学原理》中，用下面这句话来说明他发现的元素周期律：元素以及由它形成的单质和化合物的性质周期地随着它们的原子量而改变。后来，由于物理学上一系列新的发现，人们对元素同期律得到了新的认识，元素以及由它形成的单质和化合物的性质周期地随着原子序数（核电荷数）而改变。
最后，在弄清了原子核外电子排布的规律以后，人们对元素周期律和元素周期表的认识就更加深入了。现在，人们可以从理论上来解释元素周期律了。原来，随着核电荷数的增加，核外电子数也在相应地增加；而随着核外电子数的增加，就会一层一层地重复出现相似的电子排布的过程。这就是元素性质随原子序数的增加而呈现周期性变化的原因。
如今，人们不仅知道一个元素所在的周期数就是它的核外电子排布的层数，主族元素的族数就是它最外层的电子数，而且也能解释元素的化合价为什么也随着原子序数的增加而出现周期性的变化。就连为什么同一周期的各个元素，从左到右金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强，为什么同一周期的各个元素，从上到下金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱这一类的问题，人们也能够得到令人满意的解答了。
原子结构的知识像一把钥匙，打开了元素周期表里的秘密之锁，使人类对物质的理解进入了一个全新的电子时代。
