在深人研究原子核后，人们发现，同一种元素的原子里，质子的数目虽然一样多，但中子的数目却不尽相同。化学上把原子核内质子数相同而中子数不同的原子叫做同位素。
氢原子的同位素有三种：第一种是氢，它的原子核里没有中子，只有1个质子，叫做氕。第二种是重氢，它的原子核里有1个质子和1个中子，叫做氘。第三种是超重氢，它的原子核里有1个质子和2个中子，叫做氚。
氕、氘、氚，各自的原子质量虽然不同，可是它们的化学性质几乎完全相同。人们测得的氢的原子量，就是这3种原子质量的平均值。
绝大多数的元素都有两种或以上的同位素，因此绝大多数的原子量都是它的各种同位素的原子质量的平均值。
自然界的各种元素，通常是质子数大的，原子量也大；质子数小的，原子量也小。因此，在周期表中，大多数元素都是随着质子数增大，原子量也增大。可是，有的元素，虽然质子数较小，但是在自然界，它的几个同位素中较重的同位素占的比例大，因此几种同位素的原子质量的平均值（这种元素的原子量）就要大一些。而有的元素的质子数虽然较大，可是由于较重的同位素占的比例小，结果这种元素的原子量反倒要小一些。
例如，氩的质子数（18）要比钾的质数（19）小，但是在自然界中它的重同位素氩40的原子质量为39.96，占99.6％；氩38的原子质量为37.96，占0.06％；氩36原子量为35.97，占0.34％。氩的3种同位素的原子质量平均值为39.95。
钾的质子数虽然较大，可是它的重同位素占的比例小。钾41的原子质量为40.96，占6.88％；钾40的原子质量为39.96，占0.01％；钾39的原子质量为38.96，占93.08％。钾的3种同位素的原子质量平均值为39.10。
由于原子核的质子、中子结构和同位素的发现，周期表中的氩和钾、碲和碘、钴和镍、钍和镤等，排列前后之谜终于彻底揭开了。
人们对核外电子进行了研究，知道电子在原子核外作高速运动。高速运动着的电子，在核外是分布在不同的层次里。这些层次叫做能层或电子层。在含有多个电子的原子里，电子的能量并不相同。能量低的，通常在离核近的区城运动。能量高的，通常在离核远的区域运动。
现在已经发现的电子层共有7层。第1层（K），离核最近，能量最低；其他由里往外，依次为第2（L）层、第3（M）层、第4（N）层、第5（0）层、第6（P）层、第7（Q）层。核外电子的分层运动，又叫核外电子的分层排布。
人们发现，电子总是尽先排布在能量最低的能层里，然后再由里往外，依次排布在能量逐步升高的电子层里。核外电子的分层排布有一定的规律：首先，各电子层最多容纳的电子数目是2n2（n是电子层数）。例如第1层为2个电子，第2层为8个电子，第3层为18个电子，第4层为32个电子。其次，最外层电子数目不超过8个。第三，次外层电子数目不超过18个，倒数第3层电子数目不超过32个。
人们还发现，核外电子的分层排布居然和周期表有着内在的联系。
先从横排——周期来看：在第1周期中，氢原子的核外只有1个电子，氦原子的核外有2个电子，都处于第1能层上。由于第1能层最多只能容纳2个电子，所以，到了氦第1能层就已经填满。第1周期也只有这两个元素。
在第2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10。电子排布的情况是：第1能层都排满了2个电子，第2能层中，从锂到氖都依次排满了1~8个电子。第2周期也刚好结束。
再从竖行——族来看：第1主族的7个元素——氢。锂、钠、钾、铷、铯、钫，它们相同的是，最外能层只有一个电子，不同的是，它们的核外电子数和电子分布的层数。氢的核外只有一个电子，只能排布在第1能层上；锂有2个能层，在第2能层上排布1个电子；钠有3个能层，在第3能层上排布1个电子……钫有7个能层，在第7能层上排布1个电子。
由此可见，第1主族7个元素原子的电子最外层都只有一个电子。而在化学反应中，一般只是最外层电子在起变化，由于它们最外层电子数相同，也就反映出它们相似的化学性质。
其他主族各元素的最外能层也类似。第2主族各元素的最外能层都有2个电子，第3主族各元素的最外能层有3个电子……
还可从惰性气体元素、金属元素和非金属元素来看：惰性气体元素原子的最外层都有8个电子（氦是2个）。这种最外层有8个电子的结构，是一种稳定的结构。因此，惰性气体元素的化学性质比较稳定，一般不跟其他物质发生化学反应。金属元素像钠、钾、镁、铝等，原子的最外层电子的数目一般少于4个，在化学反应中，外层电子比较容易失去而使次外层变成最外层，通常达到8个电子的稳定结构。非金属元素氟、氯、硫、磷等，原子的最外层电子的数目一般多于4个，在化学反应中，外层电子比较容易获得电子，也使最外层通常达到8个电子的稳定结构。
人们了解了原子核外电子排布的规律以后，就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，就相似的电子排布过程，一层一层地重复出现。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。
人工合成的许多新元素——超铀元素，使周期表在不断延伸。在放射性变化中，一个元素蜕变成另一个元素，科学家由此找到了利用原子能的钥匙：周期表后列的重元素会发生核分裂，而周期表前列的轻元素会发生核聚变。
科学家们预言，人造元素还会一个个发现和合成出来，除完成第7周期外，并有可能进人第8周期（也就是超镧系和新超锕系元素）。在未来的新周期中，元素的原子里还会出现新的电子层次。