生物学是一门涉及多种学问的学科，生物体及其环境是化学和物理学的观点所适用的自然系统。
2.1 物质由化合物构成
生物体由物质（matter）构成，物质由元素（element）构成。元素无法以化学反应分解成其他物质。两种或以上元素合并形成化合物（compound），化合物具备超越其组成分子的特性，这也是重组后的物质会产生涌现性质的例证。
我们已辨认出
2.2 元素性质取决于原子结构
原子（atoms）是物质中保持元素性质的最小单位，由次原子粒子（subatomic particles）组成，其中，与元素性质有关的仅有中子（neutron）、质子（proton）与电子（electron）。
质子与中子凝聚成位于原子中心的带正电的原子核（atomic nucleus），快速移动的电子在原子核周遭形成带负电的「云雾」。相反电荷间的吸引力将电池维系在原子核附近。中子与质子质量几乎相等，约为
特定元素之原子均具备一致数量的质子，即原子序数（atomic number）。原子序数显示电中性原子的质子数及电子数，下标于元素符号左下方。质量数（mass number）表示原子核中的质子数加中子数，下标于元素符号左上方。以
中子数
中子数不一的原子形式称为该元素的同位素（isotopes），自然界中的元素以其同位素的混合物形式存在。元素的同位素质量不同，但有相同的化学反应行为。通常所给的原子量（如碳的
放射性示踪剂（radioactive tracer）可用于医学诊断，能够像非放射性同位素般并入具生物学活性的分子，显示代谢反应中的原子动向。衰变所释放的辐射线会伤害细胞，但医学诊断所用的剂量大多安全。
测量化石的放射性衰变可为其定年，过往已消失物种与现存生物之差别为进化提供证据。「亲代」同位素以固定速率衰变为「子代」同位素，即同位素的半衰期（half-life）——50% 亲代同位素衰变所需时间。各放射性同位素半衰期不同，且不受环境变量影响。我们运用放射性估年法（rediometry dating）测量不同同位素比例并计算所经历半衰期的个数。
练习：计算标准放射性同位素衰变曲线
已知
电子能级
原子核和电子非常小，原子里大半是空的，因此，两个原子在化学反应中逐步靠近时，其原子核不会接触。三种与元素性质有关的次原子粒子中仅有电子直接涉及原子间的化学反应。原子中电子所具备的能量可以改变，能量是「造成变化的能力」（如做功）。势能（位能，potential energy）表示物质因位置或结构而蓄积的能量，物质有向较低势能状态转移的自然趋势。
电子亦因与原子核的相对位置而具势能。电子带负电荷，受带正电的原子核吸引，要远离原子核则需要做功，电子吸收能量。电子距离原子核越远，势能越大。电子具有不连续状态的能量，仅存在于称为「电子层（electron shells）」之固定的势能层次。电子的势能取决于其能级（能阶，energy level），无法存在于能级之间。电子的能级有关其与原子核间的平均距离。电子处于不同电子层，其平均距离与能级均不同。电子要改变所处的层数，必须吸收或释出与新旧层间势能差等量的能量。电子要远离原子核，就需吸收能量。例如，光线可将电子激发至更高能级，这也是植物光合作用的第一步。电子损失能量时，则降至更接近原子核的电子层，损失的能量通常以热的形式释放至环境。
电子分布与化学性质
原子的化学行为取决于电子在原子电子层中的分布情形，大多取决于最外层电子——价电子（valence electrons）的数目。最外层能级称为价层（valence shell）。拥有相同价层电子数的原子（如
电子轨道
实际上，我们永远无从得知电子的确切位置，只能描绘出电子在多数时间所停留的空间，称为「轨道（轨域，orbitals）」。电子轨道表示原子内最可能发现电子的空间体积。每个电子层所包含的电子都处于特定能级下，且分布于形状与方位各异的数个轨道中。第一个电子层仅有一个球形