Energieniveaus van Atoomorbitalen

Atoomorbitalen hebben verschillende energieën, zoals gerationaliseerd door Coulomb-interacties, het afschermende effect en orbitale penetratie. De wet van Coulomb geeft aan dat de aantrekkingskracht of afstotende kracht tussen twee geladen deeltjes een omgekeerd-kwadratische relatie heeft met de afstand ertussen. Atomaire orbitale afmetingen nemen toe met het aantal schillen en elektronen worden afgestoten uit de ruimte die wordt ingenomen door orbitalen met een lagere schil.De wet van Coulomb suggereert dus dat naarmate het aantal schillen toeneemt, de elektronen minder aangetrokken worden tot de kern, wat overeenkomt met hogere orbitale energieën. Bovendien hebben elektronen die zich op ongeveer dezelfde afstand van of dichter bij de kern bevinden een afschermend effect dat de aantrekking naar de kern verder vermindert. Hoe groter de afscherming, hoe minder aantrekkingskracht op de kern wordt gevoeld.Dit is een reden voor de verschillen in orbitale energieën binnen elektronenschillen. Bijvoorbeeld, 3s en 3p elektronen beschermen 3d-elektronen aanzienlijk. De effectieve kernlading die door een elektron wordt gevoeld, wordt berekend door de afschermconstante S, die afhangt van het aantal afschermende elektronen en de subschillen die ze innemen, af te trekken van het atoomnummer.De twee 1s-elektronen in lithium bijvoorbeeld, dat een atoomnummer van drie heeft, schermen het 2s-elektron af. De afschermconstante voor dat elektron wordt op basis van semi-empirische regels bepaald op 1, 7. Daarom is de effectieve nucleaire lading die door het 2s-elektron wordt gevoeld 1, 3.De vormen van orbitalen dicteren ook hun energie. Als de elektronen in een buitenste orbitaal ver kunnen bewegen in gebieden die worden ingenomen door binnenste elektronen om dicht bij de kern te zijn, zullen ze daar veel minder afgeschermd zijn. Dus de energie van die buitenste orbitaal is lager.Dit kan worden gevisualiseerd met een radiale verdelingsfunctie die de kans beschrijft om een elektron op een bepaalde afstand van de kern te vinden. Radiale verdelingsfunctiegrafieken voor de 1s, 2s en 2p subschillen laten zien dat 2s-elektronen een bescheiden kans hebben om in de buurt van de kern te zijn, terwijl 2p-elektronen meestal buiten of aan de buitenrand van het 1s-gebied blijven. De 2s-orbitaal zou daarom een groter doordringend vermogen hebben.In de derde schil dringen de 3s-elektronen het meest door en de 3d-elektronen het minst. Over het algemeen neemt de atoomomloop-energie toe met het aantal schillen en, op het niveau van de schil, van s naar f. Het penetratie-effect wordt echter zo belangrijk in de vierde en vijfde schil dat de 4s en 5s orbitalen vaak lagere relatieve energieën hebben dan respectievelijk de 3d-en 4d-orbitalen.