Orbitalen zijn de gebieden buiten de atoomkern waarin elektronen hoogstwaarschijnlijk zullen verblijven. Ze worden gekenmerkt door verschillende energieniveaus, vormen en driedimensionale oriëntaties.
De locatie van elektronen wordt meestal beschreven door een schil of hoofdenergieniveau, vervolgens door een subschil binnen elke schil en ten slotte door individuele orbitalen die in de subschillen worden gevonden. De eerste schil bevindt zich het dichtst bij de kern en heeft slechts één subschil met een enkele sferische orbitaal, de 1 s- orbitaal genaamd, die twee elektronen kan bevatten. De volgende schil kan in totaal acht elektronen bevatten: twee in de sferische 2 s- orbitaal en twee in elk van de drie haltervormige 2 p- orbitalen. In hogere energieniveaus nemen de buitenste orbitalen – die gevonden worden in de d pt f subschil – complexere vormen aan. In totaal passen tien elektronen binnen de vijf d- orbitalen en veertien elektronen passen binnen de zeven f- orbitalen.
Orbitale diagrammen kunnen worden gebruikt om de locatie en relatieve energieniveaus van elk elektron in een atoom te visualiseren. Binnen elke schil hebben elektronen een stijgend energieniveau. De s- subschil heeft de laagste hoeveelheid energie. Elektronen in de p- subschil hebben een iets hogere energie, gevolgd door elektronen in de d pt f- subschil als ze aanwezig zijn.
We hebben gezien dat elektronen in verschillende orbitalen verschillende energieniveaus hebben. Hoe weten we dat er überhaupt energie in de elektronen zit, laat staan dat elektronen verschillende hoeveelheden energie kunnen hebben? In 1913 kon Niels Bohr experimenteel bepalen hoeveel energie er werd gewonnen en verloren als elektronen van orbitalen veranderden in een atoom van waterstof en andere ionen met een enkel elektron. Bohr ontwikkelde het eerste model van elektronenorbitalen met behulp van de resultaten van zijn experimenten, en de kennis uit het werk van Ernest Rutherford dat een kern positief geladen is.
Wanneer elektronen energie krijgen, komen ze in een opgewonden toestand en springen ze naar hogere orbitalen. Energie kan aan elektronen worden toegevoegd in de vorm van warmte of licht. Wanneer elektronen snel energie verliezen, vallen ze terug uit de hogere orbitaal en zenden ze een lichtdeeltje uit dat een foton wordt genoemd. De kleur van het uitgezonden foton komt overeen met een bepaalde hoeveelheid energie, zodat het kan worden gekwantificeerd door een spectroscoop.
Bohr was in staat om de energie te bepalen die zich in de belangrijkste energieniveaus, of schillen, bevindt door waterstof te verhitten. De extra warmte-energie dwong het elektron om van het eerste energieniveau naar hogere niveaus te springen. Bohr mat vervolgens de golflengte van het licht dat werd uitgezonden als de atomen weer afkoelden.
Bohr's model van elektronenorbitalen ging ervan uit dat elektronen rondom de kern cirkelden in vaste cirkelvormige paden. Hoewel zijn experimenten nauwkeurig waren voor waterstof en waterstofachtige ionen met een enkel elektron, kon hij de elektronenconfiguraties van andere elementen niet voorspellen. Er moesten aanvullende factoren zijn die de fysica van subatomaire deeltjes beïnvloedden.
In 1926 breidde Erwin Schrödinger Bohr's model van energieniveaus uit en ontwikkelde het model van atomaire orbitalen dat nog steeds wordt geaccepteerd. Schrödinger hield rekening met een aantal andere ontdekkingen met betrekking tot het fysieke gedrag van elektronen die door wetenschappers in het begin van de jaren twintig werden gedaan. Zijn kwantummechanische model voorspelt nauwkeurig de elektronenconfiguraties van elementen met meerdere elektronen. Een fundamentele verandering in het model van Schrödinger is de aanname dat elektronen reizen in een golfbeweging die wordt beïnvloed door de positieve lading van de kern. Daarom zijn de orbitalen waarover we vandaag spreken wolkachtige gebieden waarin elektronen hoogstwaarschijnlijk bewegen in plaats van vaste de cirkelvormige paden zoals Bohr voorstelde. Een ander belangrijk onderscheid is de verdeling van Bohr's energieniveaus – schillen – in kleinere categorieën – subschillen en orbitalen.
