用物質的導電性能來區分導體、絕緣體和半導體，看的是它們的表面現象。科學家喜歡求本溯源，凡事總得問個「為什麼」。為什麼這三種物態的導電性會有所不同呢？一定是因為它們的內部結構有所不同吧。這內部結構到底是何種不同，才會導致電學性質不同呢？因此，首先我們研究研究：導電性的差別如何表現在物質的原子結構中？
物質是由原子組成的，原子又由原子核和繞著核層層旋轉的電子構成，這是原子結構的經典模型。有了量子理論後，電子繞核轉的行星模型不時髦了，物理學家們把電子的運動描述成某種波動，或者用『電子云』一詞來表示，這讓你有了更多自由遐想的空間。
但無論如何，原子的結構總是原子核加電子。如果我們縮小到微觀去觀察一個原子，發現它有點像個大家庭，原子核比較重，體積大，一棟大房子，將父母和女人們留在了家裡。電子呢，有的處於束縛態，在家園附近勞動，有的是自由的，出外打天下，人們將它們叫做『自由電子』。這些自由電子可以四處遊蕩，不僅跑到附近別的原子核邊上，到鄰居家裡作客，還有可能漂流到千里之外，創造出豐功偉績。人類最早認識的導電物質是金屬，科學家發現，正是因為金屬中的自由電子，而造成了金屬的導電性。物質中自由電子的多少，便也可以用來區分金屬和絕緣體。
如果我們再打破沙鍋問下去，為什麼原子核外面的電子，有的被束縛，有的是自由的呢？為什麼金屬中有許多自由電子，而絕緣體中幾乎沒有呢？這些問題又將我們帶回到各種原子的不同結構、還有不同的原子模型上來。
原子結構的理論經過了數次歷史的變遷，如同其它的物理理論一樣，沒有一個描述原子的模型是永遠完美沒有錯誤的。科學在不斷的進步，本來被認為是正確的東西過一段時間就可能是謬誤，原子模型也是如此。每一個模型在上一個模型的基礎上發展起來，否定了它的前輩，然後，過不了多久，它自身又被另一個新的模型所替代、所否定。新的模型總是比上一個更迷人、更接近真理。這正是推動我們孜孜不倦地去進行科學研究的原動力。
最開始給原子建立科學模型的，是英國的道爾頓，他把原子描述成一個不可再分的、堅硬的實心小球。儘管這是一個錯誤的模型，但它首次將原子的研究從哲學引進到科學。歷史地看，仍然功不可沒。
約翰·道爾頓（John Dalton，1766年－1844年）是個很有特色，鞠躬盡瘁、死而不己，為科學獻身的科學家。他年輕時從一個名叫高夫的盲人哲學家那裡接受了自然科學知識。又由於道爾頓自己是個色盲，他從自身的體驗中總結出色盲症的特症，給出了對色盲的最早描述。並且，道爾頓希望在他死後對他的眼睛進行檢驗，用科學的方法找出他色盲的原因。1990年，在他去世後將近150年，科學家對其保存在皇家學會的一隻眼睛進行DNA檢測，發現他的眼睛中缺少對綠色敏感的色素。
道爾頓只為科學理想而獻身、別無它求，他終生未婚、安於窮困，即使是英國政府給予他的微薄的養老金，道爾頓也把它們積蓄起來，捐獻給曼徹斯特大學的學生作為獎學金。道爾頓是個氣象迷，他從1787年21歲開始，連續觀測記錄氣象，幾十年如一日，從不間斷，一直到78歲臨終前幾小時，還為他近20萬字的氣象日記，顫抖地寫下了最後一頁，給後人留下了寶貴的觀測資料。
道爾頓認為原子是不可再分的，幾十年後的湯姆森卻發現從原子中射出了電子，湯姆森並因此發現而獲得了1906年的諾貝爾物理獎。根據原子中存在電子的事實，湯姆森1904年提出原子的葡萄乾蛋糕模型（或西瓜模型）。他將原子想像成好似一塊均勻帶正電荷的「蛋糕」，帶負電荷的電子則像葡萄乾一樣鑲嵌在蛋糕裡面。
葡萄乾蛋糕模型的好景不長，很快就被湯姆森的得意門生盧瑟福否定了。
圖6.1.原子模型，從經典的實心球到量子力學的幾率波
盧瑟福對鈾鹽、釷鹽及居里夫人所發現的鐳所放出的射線，進行了廣泛深入的研究，從而發現了α粒子。通過觀察α粒子在電場和磁場中的表現，盧瑟福弄清楚了這種粒子的性質。由於研究α衰變對原子研究作出的重要貢獻，盧瑟福被授予1908年的諾貝爾化學獎。
盧瑟福發現α粒子帶正電荷，數值是電子電荷數量的兩倍。既然α粒子是從原子中跑出來的帶正電荷的東西，盧瑟福自然地聯想到了老師的原子模型：α粒子是不是從那個模型中分裂出來的一小塊『蛋糕』呢？看來又不像，因為α粒子的質量比電子質量大得多，大約是電子質量的7300多倍。均勻分布著正電荷的『蛋糕』，不可能有如此大的質量密度。
但是，蛋糕模型只是老師提出的假說，對錯與否還需要實驗的驗證。於是，盧瑟福產生了一個新奇的想法，何不就利用這種高速而又質量頗大的粒子，來探測原子的內部結構呢。也就是說，把α粒子當作一個特務，打進原子去進行間諜活動，看看原子內部到底是怎麼回事？
盧瑟福和他的助手漢斯·蓋革博士，立即開始了實驗。他們利用鐳所發射的α粒子束，轟擊一片非常薄的金箔，經過金箔散射後的α粒子間諜，各自帶著在金箔原子中探測到的情報，被設置於各個方向的螢光屏記錄下來。
這些α粒子間諜的能量很大，跑得極快，速度約為光速的十二分之一！從原子旁邊只能一晃而過，要想讓它們像真正的特務那樣，『潛伏』在原子內部是不可能的。不過，盧瑟福和蓋革進行實驗的優越條件是能夠以多取勝，他們做了一次又一次的實驗，每次都派出了大批大批的姦細，結果，他們發現：
1. 大部分的間諜都能毫無阻礙地通過金箔，沿著原來的方向到達螢光屏；
2. 一小部分間諜穿過金箔到達螢光屏時，稍微受了點兒干擾，方向偏轉了一個小角度；
3. 個別的間諜就慘了，好像挨了當頭一棒，找不著北啦，方向被偏離了一個很大的角度，甚至有時被直接向後反彈回去。
從這些α粒子間諜提供的大量情報，盧瑟福腦海中構造出了一個與老師的葡萄乾蛋糕或西瓜圖景不太一樣的原子模型（行星模型）：
1. 原子中的大部分地方是空的；
2. 原子的中心有一個很小很重的帶正電荷的原子核；
3. 帶負電的、比核小得多輕得多的電子在原子的其餘空間中繞核運動。
盧瑟福的行星模型，很快就遭遇經典電磁場理論的當頭一棒。根據麥克斯韋理論，如果電子是在繞著原子核不停地轉圈的話，這個運動電荷應該不停地發射出電磁波，電子也就會連續不停地損失能量，軌道半徑將連續地變小又變小，最後，所有電子全奔向原子核，大家庭的成員都回到家裡聚成一團，哪裡還有什麼行星模型呢？換言之，行星模型不穩定！
另外，麥克斯韋的理論加上盧瑟福的模型，也難以解釋氫原子的光譜為什麼不是連續的，而是一條一條分離的、線狀的？
當時，量子理論的思想正處於『小荷才露尖尖角』的萌芽狀態。普朗克和愛因斯坦催生了這顆小芽，但他們倆人卻都不怎麼喜歡它，都想把它掐死。
不過，玻爾來了，這個年輕人喜歡『量子』這個新鮮玩意兒，並立刻看出了：在原子的尺度上，應該用它來替代經典的電磁理論。
從上面的敘述中，我們也可以看出，盧瑟福的行星模型碰到的困難都和『連續』有關。第一個困難是：經典的電磁理論預言，原子將『連續』發射電磁波而塌縮；第二個困難：則是氫原子的光譜不『連續』這個事實。這不正好嗎，量子理論的中心思想就是不『連續』，它就是專門用來對付這些因『連續』而產生的困難的。
於是，1913年，玻爾便用『量子』的思想改進了盧瑟福的行星模型，建立了波爾的原子模型。玻爾保留了盧瑟福模型中的電子軌道，但這些軌道不是任意的、連續的，而是量子化的。這些電子遵循泡利不相容原理，各自霸占著特別的軌道，也不能隨便地、任意地發射或吸收電磁波，而是若且唯若它從一個軌道躍遷到另一個軌道時，才『一份一份的、不連續的』輻射或吸收能量。
玻爾模型成功地克服了上述的兩個困難。不過，波爾雖然對『量子』情有獨鍾，當時卻對它的行為還了解不深。所以，波爾模型還不是徹底的量子力學。原子模型的真正量子力學描述，是在薛丁格建立了他的波動方程之後，被物理界所公認的電子云模型。
圖6.2：由掃描隧道顯微鏡拍攝的電子云和原子電影
量子力學中最令人迷惑的是測不準原理和波粒二象性，薛丁格根據電子的波動解釋，認為電子並無固定的軌道，而由於繞核運動時在空間各點出現的機率不同，形成一個帶負電荷的雲團，故稱之為『電子云』。
電子云模型沿用至今，並且，現代實驗技術的發展，到了堪稱神奇的地步。使用掃描隧道顯微鏡技術，科學家們不僅直接觀察到了原子和電子云（見圖6.1左圖），還能操縱和控制原子。最近，IBM利用坨冰凍一氧化碳，將環境冷到攝氏零下260度。然後，用5000個原子，拍攝了一個世界上最小的電影：《一個男孩和他的原子》（A Boy And His Atom）。