Atomi se sastoje od teške jezgre okružene laganim elektronima. Ponašanje elektrona regulirano je pravilima kvantne mehanike. Ta pravila omogućuju elektronima da zauzimaju određena područja koja se nazivaju orbitale. Interakcije atoma gotovo su isključivo preko njihovih najudaljenijih elektrona, pa oblik tih orbitala postaje vrlo važan. Na primjer, kada se atomi stave jedan pored drugog, ako se njihove najudaljenije orbitale preklapaju, tada mogu stvoriti jaku kemijsku vezu; pa je neko znanje o obliku orbitala važno za razumijevanje atomskih interakcija.
Kvantni brojevi i orbitale
Fizičari su smatrali da je prikladno koristiti stenografiju za opis karakteristika elektrona u atomu. Stenografija je u smislu kvantnih brojeva; ti brojevi mogu biti samo cijeli brojevi, a ne razlomci. Glavni kvantni broj, n, povezan je s energijom elektrona; tada postoji orbitalni kvantni broj, l, i kvantni broj kutnog momenta, m. Postoje i drugi kvantni brojevi, ali oni nisu izravno povezani s oblikom orbitala. Orbitale nisu orbite, u smislu da su putanje oko jezgre; umjesto toga, oni predstavljaju položaje na kojima će se elektron najvjerojatnije naći.
S Orbitale
Za svaku vrijednost n postoji jedna orbitala gdje su i l i m jednaki nuli. Te su orbitale sfere. Što je vrijednost n veća, sfera je veća - to je vjerojatnije da će se elektron naći dalje od jezgre. Kuglice nisu jednako guste tijekom; više su poput ugniježđenih školjki. Iz povijesnih se razloga to naziva s orbitalom. Zbog pravila kvantne mehanike, elektroni najniže energije, s n = 1, moraju imati i l i m jednake nuli, tako da je jedina orbitala koja postoji za n = 1 s orbitala. Orbitala s postoji i za svaku drugu vrijednost n.
P orbitale
Kad je n veće od jednog, otvara se više mogućnosti. L, orbitalni kvantni broj, može imati bilo koju vrijednost do n-1. Kad je l jednako jedinici, orbitala se naziva p orbitala. P orbitale izgledaju nekako poput bučica. Za svako l, m ide od pozitivnog do negativnog l u koracima od jedan. Dakle, za n = 2, l = 1, m može biti jednako 1, 0 ili -1. To znači da postoje tri verzije p orbitale: jedna s bučicom gore-dolje, druga s bučicom slijeva udesno i druga s bučicom pod pravim kutom u odnosu na ostale. P orbitale postoje za sve glavne kvantne brojeve veće od jednog, iako imaju dodatnu strukturu kako n postaje veći.
D Orbitale
Kada je n = 3, tada l može biti jednako 2, a kada je l = 2, m može biti jednako 2, 1, 0, -1 i -2. L = 2 orbitale nazivaju se d orbitale, a postoji pet različitih koje odgovaraju različitim vrijednostima m. Orbitala n = 3, l = 2, m = 0 također izgleda poput bučice, ali s krafnom oko sredine. Preostale četiri d orbitale izgledaju poput četiri jaja složena na kraj u četvrtastom uzorku. Različite verzije imaju samo jajašca usmjerena u različitim smjerovima.
F Orbitale
N = 4, l = 3 orbitale nazivaju se f orbitalama i teško ih je opisati. Imaju višestruko složene značajke. Na primjer, n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; i m = -1 orbitale su opet oblikovane poput bučica, ali sada s dvije krafne između krajeva mrene. Ostale m vrijednosti izgledaju poput snopa od osam balona, sa svim čvorovima povezanim u sredini.
Vizualizacije
Matematika koja upravlja elektronskim orbitalama prilično je složena, ali postoji mnogo internetskih izvora koji pružaju grafičke realizacije različitih orbitala. Ti su alati vrlo korisni u vizualizaciji ponašanja elektrona oko atoma.