牛顿建立的经典力学，在相当长的时间里使人类对世界的认识都局限于经典物理。经典物理也可以理解为以牛顿建立的力学为基础之一，衍生出来的理论。牛顿力学对宏观低速的解释是相当完善的了，但是当牛顿力学进入微观世界，就会显得力不从心，这时我们就需要发展出新的理论。到了20世纪初，人类对于微观世界才有了像模像样的认识，在此之前则是在一片迷雾中前行。1897年前后，科学家才弄明白电子是每个原子必备的共同组成成分。
科学家知道电子带负电，原子整体则是电中性，也就是不带电，则推测，原子中势必还有带正电的物质。
汤姆孙认为原子内部的正电荷及其质量均匀的分别在原子内部，电子就像是西瓜里的瓜子镶嵌其中。这个模型也就是“西瓜模型”或者叫“葡萄干面包模型”。后来，卢瑟福提出了卢瑟福模型，这个模型就是“行星运动模型”——原子核就像太阳，电子就像行星，围绕在太阳周围公转。由于这个理论与当时的实验高度吻合，所以很快被物理学界接受。
但是很快大家发现，核外电子绕核运动要有加速度，根据经典的电磁理论，核外电子就要释放能量，原子的能量则会逐渐减少，发出的频率逐渐改变，那么发出了的光谱应该是连续的。再看看核外电子，由于电子不断释放能量，慢慢的电子会接近原子核，最后落到原子核上。卢瑟福模型告诉我们什么呢？一是原子发出的光谱是连续的，二是电子最后会落到原子核，原子则是一个不稳定的系统。但事实表明原子不仅是稳定的，发出的光谱也是不连续的。
这是一部分物理学家做出了重要的抉择，就抛弃掉在宏观世界建立起的经典物理。
玻尔在“行星运动模型”的基础上运用了普朗克的量子假说和爱因斯坦的光子假说，提出了电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，建立了氢原子结构理论，但还是它还是存在理论缺陷的（只能处理氢原子的问题）。不久，德布罗意博士提出了微观物质具有波粒二象性来解释原子结构（波粒二象性简单地说就是任何物质不仅有波动的特征，还有粒子的特征）。
现在关于微观世界的研究仍在继续，这里只能简单大概的介绍一下学界目前公认的事实，微观粒子具有波粒二象性，粒子的位置和动量不能同时有确定值（不能知道某个位置状态下的粒子的动量，因为测量需要观察，观察要借助光，当光子打到要测量的粒子上的一瞬间粒子动量就会发生不连续变化，即便知道这一瞬间位置，也无法得知其动量），测不准原理也关联了量子的概率理论。
电子在原子核外很小的空间内做高速运动，其运行没有固定的规律，只能用概率统计出电子在某一点出现的频率，不能确切地说电子在某一时刻究竟会出现在原子核外的哪个地方，只能知道它在某处出现的机会有多少。因此，就以单位体积内电子出现几率表示，即几率密度大小。用小红点的疏密来表示，小红点密处表示电子出现的几率密度大，小红点疏处几率密度小，看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围，因此叫电子云。
量子理论的建立为微观世界的研究送来了光明，可是上帝不喜欢掷骰子，而量子理论就建立在概率理论的基础上。虽然不知道粒子在下一时刻会出现在哪，但是可以知道粒子在某一位置出现的概率，因此还是有规律可循的，所以不能说量子理论支持自由意志！