المدارات هي مناطق خارج النواة الذرية حيث إقامة الإلكترونات هي الأكثر احتمالا. و هي تتميز بمستويات طاقة مختلفة و أشكال و اتجاهات ثلاثية الأبعاد.
يتم وصف موقع الإلكترونات بشكل عام بالغلاف أو مستوى الطاقة الرئيسي ، ثم بالغلاف الفرعي داخل كل غلاف ، و أخيرا ، بالمدارات الفردية الموجودة داخل الأغلفة الفرعية. الغلاف الأول هو الأقرب إلى النواة ، و له فقط غلاف فرعي واحد مع مدار كروي واحد ، يطلق عليه مدار ١s ، الذي يمكن أن يحمل اثنان من الإلكترونات. يحمل الغلاف التالي ثمانية إلكترونات إجمالية: اثنان في المدار الكروي ٢s و اثنان في كل من المدارات الثلاثة على شكل دمبل ٢p. في مستويات الطاقة الأعلى ، تأخذ المدارات الخارجية _ تلك الموجودة في الأغلفة الفرعية d و f _أشكالاً أكثر تعقيداً. و يمكن أن تستوعب المدارات الخمسة d ما مجموعه ١٠ إلكترونات إجمالاً بينما يناسب ١٤ إلكترون مدارات f السبعة.
يمكن استخدام المخططات المدارية لتصور الموقع و مستويات الطاقة النسبية لكل إلكترون في الذرة. داخل كل غلاف ، الإلكترونات لديها مستوى أعلى من الطاقة. الغلاف الفرعي s لديه أقل كمية من الطاقة. الإلكترونات في الغلاف الفرعي p لديها طاقة أعلى إلى حد ما ، تليها الأغلفة الفرعية d و f إذا كانت موجودة.
لقد رأينا أن الإلكترونات في المدارات المختلفة لها مستويات طاقة مختلفة. كيف لنا أن نعرف أن هناك طاقة في الإلكترونات على الإطلاق ، أقل بكثير حتى أن الإلكترونات يمكن أن يكون لها كميات مختلفة من الطاقة؟ في عام ١٩١٣ ، تمكن نيلز بور من تحديد كمية الطاقة التي تم اكتسابها و فقدانها تجريبياً عندما غيرت الإلكترونات المدارات في ذرة من الهيدروجين و أيونات أخرى لها إلكترون واحد. الجمع بين نتائج تجاربه مع المعرفة المسبقة للنواة موجبة الشحنة من عمل إرنست رذرفورد ، طور بور النموذج الأول من مدارات الإلكترون.
عندما تكتسب الإلكترونات الطاقة ، تدخل حالة إثارة و تقفز إلى مدارات أعلى. يمكن إضافة الطاقة إلى الإلكترونات في شكل حرارة أو ضوء ، و عندما تفقد تلك الطاقة بسرعة ، فإنها تتراجع عن المدار الأعلى و تنبعث منها جسيم ضوء يسمى فوتون. لون الفوتون المنبعث يتوافق مع كمية محددة من الطاقة بحيث يمكن قياسها كميا بواسطة منظار طيفي.
بور كان قادرا على تحديد محتوى الطاقة في مستويات الطاقة الرئيسية _ و يشار إليها أيضا بالأغلفة _ عن طريق تسخين الهيدروجين. أجبرت الطاقة الحرارية الإضافية الإلكترون على القفز من مستوى الطاقة الأول إلى مستويات أعلى. ثم قام بور بقياس الطول الموجي للضوء الذي انبعث ، عندما هدأت الذرات مرة أخرى.
افترض نموذج بور لمدارات الإلكترون ، أن الإلكترونات تدور حول النواة في مسارات دائرية ثابتة. في حين كانت تجاربه دقيقة للهيدروجين ، و الأيونات الشبيهة بالهيدروجين و التي لها إلكترون واحد ، لم يتمكن من التنبؤ بتكوينات الإلكترونات لعناصر أخرى. كان لا بد من و جود عوامل إضافية تؤثر على فيزياء الجسيمات دون_الذرية.
في عام ١٩٦٢ ، قام إروين شرودينغر بتوسيع نموذج بور لمستويات الطاقة و تطوير نموذج المدارات الذرية ، الذي لا يزال مقبولاً حتى اليوم. شرودينغر أخذ في الاعتبار عدداً من الاكتشافات الأخرى فيما يتعلق بالسلوك الفيزيائي للإلكترونات ، والتي قام بها العلماء في أوائل العشرينيات. نموذجه لميكانيكا الكم يتنبأ بدقة بتكوينات الإلكترونات للعناصر ذات الإلكترونات المتعددة. أحد التغييرات الأساسية في نموذج شرودينغر هو افتراض أن الإلكترونات تنتقل في حركة موجية و التي تتأثر بالشحنة الموجبة للنواة. و بسبب هذا ، فإن المدارات التي نتحدث عنها اليوم هي مناطق تشبه السحب حيث من المرجح أن يتم العثور فيها على الإلكترونات ، بدلاً من المسارات الدائرية الثابتة كما اقترح بور. و من التمايزات الهامة الأخرى ، تقسيم مستويات الطاقة _ الأغلفة _ عند بور إلى فئات أصغر _ الأغلفة الفرعية و المدارات.
