Atomer er sammensat af en tung kerne omgivet af lette elektroner. Elektronernes opførsel styres af kvantemekanikens regler. Disse regler tillader elektroner at besætte bestemte regioner kaldet orbitaler. Samspillet mellem atomer er næsten udelukkende gennem deres yderste elektroner, så formen på disse orbitaler bliver meget vigtig. For eksempel, når atomer bringes ved siden af hinanden, hvis deres yderste orbitaler overlapper hinanden, kan de skabe en stærk kemisk binding; så en vis viden om orbitalernes form er vigtig for at forstå atominteraktioner.
Kvantumtal og orbitaler
Fysikere har fundet det praktisk at bruge stenografi til at beskrive elektronernes egenskaber i et atom. Forkortelsen er udtrykt i kvantetal; disse tal kan kun være heltal, ikke brøker. Det primære kvantetal, n, er relateret til elektronens energi; så er der det orbitale kvantetal, l og det kantede kvantetal, m. Der er andre kvantetal, men de er ikke direkte relateret til orbitalernes form. Orbitaler er ikke baner, i betydningen at være stier omkring kernen; i stedet repræsenterer de de positioner, hvor elektronen mest sandsynligt findes.
S Orbitaler
For hver værdi af n er der en orbital, hvor både l og m er lig med nul. Disse orbitaler er kugler. Jo højere værdien af n er, desto større er kuglen - det vil sige, jo mere sandsynligt er det, at elektronen findes længere væk fra kernen. Kuglerne er ikke lige så tætte hele vejen igennem; de er mere som indlejrede skaller. Af historiske årsager kaldes dette en s orbital. På grund af kvantemekanikens regler skal de laveste energielektroner med n = 1 have både l og m lig med nul, så den eneste orbital, der findes for n = 1, er s orbital. S orbital findes også for hver anden værdi af n.
P Orbitaler
Når n er større end en, åbnes flere muligheder. L, det orbitale kvantetal, kan have en hvilken som helst værdi op til n-1. Når jeg er lig med en, kaldes orbitalen en p-orbital. P-orbitaler ser ud som håndvægte. For hver l går m fra positiv til negativ l i trin på en. Så for n = 2, kan l = 1, m være lig med 1, 0 eller -1. Det betyder, at der er tre versioner af p-orbitalen: en med håndvægten op og ned, en anden med håndvægten fra venstre mod højre og en anden med håndvægten vinkelret på begge de andre. P-orbitaler findes for alle hovedkvantantal, der er større end en, selvom de har yderligere struktur, når n bliver højere.
D Orbitaler
Når n = 3, så kan l være 2, og når l = 2, kan m være lig med 2, 1, 0, -1 og -2. L = 2 orbitaler kaldes d orbitaler, og der er fem forskellige svarende til de forskellige værdier af m. N = 3, l = 2, m = 0 orbital ligner også en håndvægt, men med en doughnut omkring midten. De andre fire d orbitaler ligner fire æg stablet i en firkantet mønster. De forskellige versioner har bare æggene, der peger i forskellige retninger.
F Orbitaler
N = 4, l = 3 orbitaler kaldes f orbitaler, og de er vanskelige at beskrive. De har flere komplekse funktioner. For eksempel er n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; og m = -1 orbitaler er formet som håndvægte igen, men nu med to donuts mellem enderne af barbell. De andre m-værdier ser ud som et bundt på otte balloner med alle deres knuder bundet sammen i midten.
Visualiseringer
Matematikken, der styrer elektronorbitalerne, er ret kompleks, men der er mange online ressourcer, der giver grafiske realiseringer af de forskellige orbitaler. Disse værktøjer er meget nyttige til at visualisere elektroners opførsel omkring atomer.