اوربیتال اتمی

اوربیتال اتمی تابع ریاضی است که رفتار موجی مانند یک الکترون یا یک جفت الکترون در اتم را توضیح می‌دهد. این تابع را می‌توان به منظور محاسبهٔ احتمال حضور الکترون در یک اتم در مناطق خاصی در اطراف هسته مورد استفاده قرار داد. از عملکرد این تابع می‌تواند در ترسیم نمودار سه بعدی از احتمال حضور الکترون در یک مکان استفاده کرد که این منطقهٔ فیزیکی با احتمال زیاد تعیین می‌شود. به‌طور خاص، اوربیتال‌های اتمی ممکن در ویژه حالتی از یک تک الکترون که در مجموعه‌ای از الکترون‌ها در اطراف اتم منفرد قرار دارند با تابع اوربیتال توضیح داد.
اوربیتال اتمی را که در آن الکترون به عنوان ذرات جامد است، هرگز نمی‌توان با سیارهٔ که به صورت بیضوی به دور خورشید می‌گردد توضیح داد. 
 با یک مقایسه دقیق ممکن است چنین به نظر برسد که الکترونی که درجو اطراف هسته قرار دارد مانند جو یک سیاره‌است. اوربیتال اتمی نحوه شکل‌گیری این جو را فقط به یک الکترون منفرد در یک اتم را توضیح می‌دهد. وقتی که الکترون‌های بیشتری به اتم منفرد اضافه می‌شود این الکترون‌ها تمایل دارند به‌طور مساوی در حجم فضای اطراف هسته قرار بگیرند (که گاهی به این ابر الکترونی) گفته می‌شود.)این منطقه معمولاً کروی شکل است.
این ایده که الکترون ممکن است در اطراف هسته با یک خاصیت چرخشی که به آن تکانهٔ زاویه‌ای می‌گویند می‌گردد، در سال ۱۹۱۳ توسط نیلز بور استدلال شد. و یک فیزیکدان ژاپنی به نام هانتارو ناگااٌکا(Hantaro Nagaoka) در اوایل سال ۱۹۰۴ فرضیه مبتنی به رفتارهای الکترونیکی به این مورد را منتشر کرد. با این حال تا سال ۱۹۲۶ معادله شرودینگر برای حل حرکت موجی الکترون در اتم برای توابع اوربیتال جدید آماده نبود.
با توجه به تفاوت مدارمکانیک کلاسیک از واژه «مدار» برای الکترون در اتم، برای اولین بارشیمیدانی بنام رابرت میلیکان در سال ۱۹۳۲ اصطلاح اوربیتال را ابداع و جایگزین آن کرد. اوربیتال اتمی، معمولاً به عنوان توصیف هیدروژنگونه (به معنی یک الکترون) برای تابع موج در فضا است، اعداد کوانتومی که به صورت l,nوm دسته‌بندی می‌شوند به ترتیب متناظر هستند با انرژی جفت الکترون، تکانه زاویه‌ای و تکانه زاویه‌ای مسیر (بردار اقلیدسی تکانه زاویه‌ای). هر اوربیتال (توسط یک مجموعه از اعداد کوانتومی متفاوت تعریف می‌شود) که دارای حداکثر دو الکترون است، از نام‌های کلاسیک در آرایش الکترونی نشان داده شده در تصویر سمت چپ نیزاستفاده شده‌است. نام‌های اوربیتال کلاسیک که با (s, p، d, f) نشان داده می‌شوند از ویژگی‌های خطوط طیفی آن‌ها مشتق شده‌است. در واقع این نام‌ها را در تحلیل طیف گسیلی خطی فلزات قلیایی وضع کردند که f,d,p,s به ترتیب برگرفته از واژه‌های انگلیسی fundamental,diffuse,principal,sharp می‌باشند.
از حدود سال ۱۹۲۰، یا حتی قبل از ظهور مکانیک کوانتومی مدرن، اصل آفبا (اصل ساخت و ساز) است که در آن اتم‌ها متشکل از جفت الکترون‌های هستند، که از تکرار یک الگوی ساده و منظم که با افزایش اعداد فرد (.. ۱، ۳، ۵، ۷) است پیروی می‌کنند، توسط نیلز بور و دیگران که برای پی بردن به وجود چیزی شبیه به اوربیتال اتمی، در داخل تعدادی از ساختار الکترونی اتم‌های پیچیده مورد استفاده قرار گرفته بود. در ریاضیات فیزیک اتمی، برای ساده کردن تابع موج الکترون در سیستم‌های پیچیده اغلب مناسب از ترکیبات ساده‌تر اوربیتال اتمی استفاده شود. اگرچه هر الکترون را نمی‌توان در یک اتم چند الکترونی که یکی را از یک یا دوالکترون ازاوربیتال اتمی در یک تصویر خیالی محدود کرد، هنوز هم تابع موج الکترون ممکن است ترکیباتی از اوربیتال اتمی را دربرداشته باشد؛ مثل اینکه، در بعضی مواقع ابر الکترونی یک اتم چند الکترونی هنوز هم با اوربیتال اتمی متشکل از تنها یک یا دو الکترون باشد.
این مطلب توسط امیر محمد بهرامی در ویکی پدیا به ثبت رسیده است.

ویژگی‌های الکترون

پس از گسترش یافتن مکانیک کوانتوم به این حقیقت پی برده شد که الکترون‌های در حال گردش در اطراف هسته را نمی‌توان به‌طور کامل به شکل ذرات توصیف کرد بلکه می‌بایست با مفهوم دوگانگی موج-ذره توصیف شوند. از این دیدگاه الکترون دارای ویژگی‌های زیر است:
ویژگی‌های موج گون:
۱)چرخش الکترون‌ها پیرامون هسته نه به شکل چرخش سیارات پیرامون خورشید بلکه به شکل یک موج ایستاده می‌باشد؛ بنابراین پایین‌ترین انرژی که یک الکترون می‌تواند دارا باشد متناظر با بسامد اصلی یک موج ایستاده روی یک ریسمان است. انرژی‌های ممکن بالاتر متناظر با سایر هماهنگ‌های بسامد اصلی خواهد بود.
۲)الکترون‌ها در یک مکان نقطه‌ای تنها نیستند، اگرچه احتمال برهمکنش با الکترون در یک نقطه مشخص می‌تواند از روی تابع موج الکترون محاسبه شود.
ویژگی‌های ذره گون:
۱)همواره شمار الکترون‌های در حال گردش پیرامون هسته عددی صحیحی است.
۲)الکترون‌ها بین اوربیتال‌ها جهش می‌کنند. در این جهش‌ها به نوعی رفتار ذره‌ای الکترون مشهود است. به عنوان مثال اگر یک تک فوتون الکترون‌ها را تحریک کند صرفاً یک الکترون در پاسخ به این فوتون در تراز انرژی خود تغییر صورت می‌دهد.
۳)الکترون‌ها خواص ذره گونی از قبیل این که هر حالت موجی همان بار الکتریکی ذره الکترون را دارد یا این که هر حالت موجی دارای یک تک اسپین است. (اسپین رو به بالا یا پایین) را حفظ می‌کنند؛ بنابراین به رغم شباهت آشکار بحث ما با موضوع سیارات در حال گردش پیرامون خورشید، الکترون‌ها نمی‌توانند به سادگی به صورت ذراتی جامد توصیف شوند. به علاوه، اوربیتال‌های اتمی شباهت نزدیکی با مدارهای فضایی چرخش سیارات به دور خورشید ندارند. یک شباهت دقیق تر می‌تواند این باشد که یک جو بزرگ و غالباً عجیب (الکترون‌ها) سیاره‌ای نسبتاً کوچک (هسته اتم) را احاطه کرده‌است. اوربیتال‌های اتمی به‌طور دقیق شکل این «جو الکترونی» را توصیف می‌کنند به شرط آن که یک تک الکترون در اتم وجود داشته باشد. هنگامی که الکترون‌های بیشتر به یک اتم افزوده می‌شوند، الکترون‌های اضافه شده حجمی از فضا که پیرامون هسته است را چنان اشغال می‌کنند که مجموعه حاصل-که بعضی موارد «ابرالکترونی» نامیده می‌شود-شکل یک توزیع نسبتاً کروی را به خود می‌گیرد که الکترون‌ها می‌توانند در آن جا یافت شوند.

تعریف رسمی مکانیکی کوانتومی

در مکانیک کوانتومی، حالت یک اتم، یعنی حالت‌های انرژی با هامیلتونی آن اتم، گسترش می‌یابد (که توسعه آن با کاربرد جبر خطی پایه‌است) که حاصل ترکیبات خطی پاد متقارن توابع تک الکترونی (دترمینان اسلیتر) است. قسمت فضایی تابع تک الکترونی را اوربیتال اتمی می‌نامند.
در فیزیک اتمی، خطوط طیفی اتم با انتقال (پراش کوانتومی) بین ویژه حالتهای یک اتم ایجاد می‌شود. این حالتها توسط یک مجموعه از اعداد کوانتومی برچسب‌گذاری می‌شود، خلاصه از نماد کوتاهی که برای آرایش الکترونی که شکل آن برای نمونه برای اتم نئون به صورت (۱s۲ ۲s۲ ۲p۶)است استفاده می‌شود.
معمولاً در این نماد خصوصیات ظاهری وشکل تداخلی توضیح داده می‌شود. مفهوم اوربیتال اتمی از یک تجسم برای یک فرایند مربوط به تحریک به حالت‌گذار است. به عنوان مثال، با تحریک کردن یک الکترون از یک اوربیتال به یک اوربیتال خالی فرایندگذار انجام می‌شود. باید به این نکته توجه داشت که برای الکترون‌های فرمیون اصل طرد پاولی بر آن‌ها حاکم است؛ و نمی‌توان آن‌ها را از سایر اکترون‌های اتم متمایز کرد. علاوه بر این، ممکن است بعضی وقتها اتفاق بافتد که نتوان از شکل تداخلی برای تعیین یک تابع موج ساده صحبت کرد که این مورد برای ارتباط الکترونی بزرگ است. اساساً تابع موج برای سیستم تک الکترونی است برای سیستم‌های چند الکترونی ما برای این مورد از یک تقریب سیستم تک الکترونی استفاده می‌کنیم. برای این تقریب ما از تقریب (Hartree–Fock) استفاده می‌کنیم که این تقریب پیچیدگی‌های تئوری اوربیتال مولکولی را نیز کاهش می‌دهد.

رابطه عدم قطعیت

بلافاصله پس از هایزنبرگ رابطه عدم قطعیت که توسط بور موجودیت یافته بود فرمول بندی شد، که در هر نوع بسته موجی دلالت بر عدم قطعیت در فرکانس و طول موج بود، از آن به بعد انتشارفرکانس‌ها منوط به ایجاد یک بسته برای خود شده بود. در مکانیک کوانتومی، ممان تمام ذرات به امواج وابسته هستند، در شکل‌گیری چنین بسته موجی از متمرکز کردن ذرات موجود در فضا برای یک موج استفاده می‌شود. در هر جای مکانیک کوانتومی ذرات محدود به ویژه حالتها هستند، که باید در یک بسته موج متمرکز شوند، و وجود بسته‌ها و اندازه می‌نیمم آن‌ها دلالت برانتشار و مقدار حداقلی آن در طول موج ذرات است، و همچنین با تکانه و انرژی با مقدار حداقلی طول موج ذرات در ارتباط است. در مکانیک کوانتومی، ذراتی که در یک منطقه کوچکی از فضا محدود هستند، در متراکم بودن و وابستگی بستهٔ موج نیاز به گسترهٔ بزرگی از ممان است که بنابراین آن همان بزرگی انرژی جنبشی است؛ بنابراین انرژی بستگی که حاوی یا ذراتی که در ناحیهٔ کوچک از فضا گیرانداخته شده‌اند بدون محدودیت افزایش می‌یابند و این رشد کمتر آن ناحیه را دربردارد. ذرات نمی‌توانند در یک نقطه هندسی محصور باشند. چونکه بی‌نهایت ذره داریم.
در شیمی افرادی مانند شرودینگر، پاولی، میلیکان و دیگران اشاره به این کردند که در رابطه هایزنبرگ الکترون به عنوان بسته موج، نمی‌تواند در یک مکان دقیق در اوربیتال در نظر گرفته شود. ماکس بورن پیشنهاد کرد که موقعیت الکترون را می‌توان با یک توزیع احتمال توصیف کرد که برای پیدا کردن الکترون باید به تعداد زیادی از نقطه‌ها متوسل شد که وابستگی بسته موج با تابع موج توضیح داده می‌شود. در مکانیک کوانتومی جدید نتیجه دقیقی به ما نمی‌دهد، اما این تنها احتمالات است که وقوع نتایج گوناگونی را ممکن کرده‌است. هایزنبرگ می‌انگاشت که مسیر حرکت الکترون معنی ندارد اگر ما نتوانیم آن را مشاهده کنیم همچنان که با الکترون‌های یک اتم نمی‌توانیم.
در اثر کوانتومی هایزنبرگ، شرودینگر و دیگران عدد اتمی بور (n) برای هر اوربیتال شناخته شده و کرهٔ در یک اتم سه بعدی و اثر انرژی متوسط بر احتمال، می‌تواند الکترون‌های بستهٔ موج یک اتم را احاطه کنند.
اگرچه هایزنبرگ برای موقعیت الکترون از بی‌نهایت مجموعه برای ماتریس اش استفاده کرد، این به این معنی نبود که الکترون نمی‌تواند در هیچ جای جهان باشد. بلکه این قوانین نشان می‌دهد که الکترون باید در توزیع احتمال متمرکز شود. در یک الکترون توصیف انرژی آن با مکانیک ماتریسی حساب می‌شود. از اینرو، الکترون در یک کره معین با یک گستره معین به انرژی مربوط به هسته وابسته‌است که محدود به این مکان است.

اتم‌های هیدروژن گونه

اتم‌های هیدروژن گونه ساده‌ترین اوربیتال‌های اتمی هستند که با یک الکترون مانند اتم هیدروژن رخ می‌دهد. در این صورت اوربیتال‌های اتمی از حالت‌های انرژی هامیلتونی اتم هیدروژن هستند؛ که با تحلیل و تجزیه به دست می‌آیند (مانند اتم هیدروژن). یونیزاسیون عنصر اتم دیگری که با تک الکترون شبیه اتم هیدروژن است که همان فرم را می‌گیرد.
برای اتم‌های که با دو یا چند الکترون هستند، معادلات حاکم برآن‌ها فقط می‌توانند با استفاده از روش‌های تقریبی متوالی حل شوند. اوربیتال‌های اتمی که چند الکترونی هستند از لحاظ کیفی شبیه به هیدروژن هستند و از مدل‌های ساده تبعیت می‌کنند و همان فرم را می‌گیرند.
برای آنالیزهای دقیق و پیچیده از تقریب‌های عددی استفاده می‌شود.
برای اوربیتال یک اتم معین (هیدروژن گونه) از سه شناسهٔ عددهای کوانتومی (n, l، mₗ) و مقادیر منحصربه‌فرد مربوط به آن‌ها استفاده می‌شود. محدود کردن اعداد کوانتومی و انرژی مربوط به آن‌ها نحوه آرایش الکترونی اتم‌ها و جدول تناوبی را توضیح می‌دهد.
وضعیت سکون (ویژه حالت‌های) اتم‌های هیدروژن گونه همان اوربیتال اتمی هستند. هر چند در طبیعت رفتار الکترون‌ها را نمی‌توان کاملاً با تک اوربیتال توضیح داد.
نخستین عدد کوانتومی n در مدل بور دیده می‌شود. از جمله چیزهای دیگر را که تعیین می‌کند مانند فاصله الکترون از هسته‌است. همه الکترون‌ها با همان مقدار n و در همان فاصله واقع می‌شوند. مکانیک کوانتومی مدرن این اوربیتال‌ها را با دقت وابستگی زیاد تثبیت می‌کند. برای این دلیل اوربیتال‌ها با همان مقدار n که شامل «پوسته» است بیان می‌شود. اوربیتال‌های که با مقدار n و l زوج هستند بیشتر برای دقت وابستگی آن‌ها با زیرپوسته بیان می‌شود.

شکل‌های اوربیتال

هر بحثی در مورد شکل اوربیتال الکترون ضرورتاً نا درست است، زیرا یک الکترون بدون در نظر گرفتن اینکه مداری را اشغال می‌کند، می‌تواند به علت اصل عدم قطعیت در هر لحظه در هر فاصله از هسته و در هر مسیری یافت شود.
با این حال، الکترون در مناطق خاصی بااحتمال بیشتری نسبت به مناطق دیگر یافت می‌شود. با توجه به این مسئله، می‌توان سطحی را در نظر گرفت که نقاط داخل سطح با احتمال بالا را از نقاط خارجی که احتمال کمتری دارند جدا سازد. جایگذاری دقیق سطح، قراردادی وفرضی است، اما اگر این سطح معقولانه انتخاب شود باید از الگویی که رفتار مربع تابع موج  مشخص می‌کند، پیروی کند. این سطح مرزی آن چیزی است شکل اربیتال نامیده می‌شود.
به‌طور کلی، عدد کوانتومی اصلی n برای یک هسته مشخص، اندازه و انرژی اربیتال رامشخص می‌کند. افزایش n، اندازه اربیتال را افزایش می‌دهد. با این حال، در مقایسه عناصر مختلف، بار مثبت (عدد اتمی که تعداد پروتون‌ها را می‌رساند) بیشتردر عناصر سنگین باعث انقباض اوربیتال‌ها در مقایسه با عناصر سبک می‌شود و به این دلیل اندازه کلی اتم ثابت می‌ماند (با وجود اینکه تعداد الکترون‌ها در عناصر سنگین تر افزایش می‌یابد).
همچنین به صورت کلی،  شکل مدارو  جهت‌گیری آن را مشخص می‌کند. با این حال، چون برخی از اوربیتال‌ها توسط معادلاتی در اعداد مختلط تعریف می‌شوند، گاهی اوقات شکل اوربیتال به  نیز بستگی پیدا می‌کند.
اوربیتال s تنها () شکلی کره مانند دارد. برای n=۱، این اوربیتال مانند کره‌ای توپر (با چگالی بالا وشکلی متقارن) است، اما برای ñ = ۲ یا بیشتر، اوربیتال‌های s از کره‌های متقارنی که پوسته‌های تو در تویی هستند تشکیل یافته‌است. هر یک (به عنوان مثال، ساختار موج، شعاعی است و مطابق یک مؤلفه شعاعی سینوسی). اوربیتال‌های s تنها اوربیتال‌هایی هستند که برای همه nها دارای یک «شکم» در مرکز هسته می‌باشند. (منطقه‌ای که چگالی تابع موج در آن بالا باشد شکم نامیده می‌شود). - همه اوربیتال دیگر (p, d، f و غیره) تکانه زاویه‌ای دارند، و در نتیجه از هسته دوری می‌کنند (داشتن یک گره در هسته به این دلیل است).
سه اوربیتال p برای n=۲ به صورت دوبیضی که در هسته به یکدیگر مماس می‌باشند (یابه عبارت، دیگر دمبلی شکل) هستند. هر یک از سه اوربیتال p هر لایه به صورت عمود بر دواوربیتال دیگر قرار گرفته‌است و هر یک، توسط مقدار  خود تعیین می‌شود.
چهار اوربیتال ازپنج اوربیتال مربوط به d برای n=۳ مشابه هستند. هر یک با چهار توپ گلابی شکل مشخص می‌شوند. هر یک توپ مماس بر دو توپ دیگر است، و مراکزهر چهار تا درصفحه‌ای بین یک جفت محورقرار دارد (برای مشخص کردن هر صفحه‌ای، دو خط متقاطع نیاز است). سه صفحه از این چهار صفحه، صفحات ý x, x ž و ý Ž هستند، و چهارمین صفحه مراکزی روی محورهای x و ý دارد. پنجمین و آخرین اوربیتال d متشکل از سه منطقه با چگالی احتمال زیاداست: چنبره‌ای دومنطقه گلابی شکل که به صورت متقارن روی محور Ž قرار گرفته‌است.
هفت اوربیتال f، هر یک اشکالی پیچیده‌تر از شکل‌های اوربیتال‌های d دارند.
برای هر مجموعه s, p، d, f ویا g از اوربیتال‌ها که در آرایش الکترونی شرکت داشته باشند، آرایش به فرم مجموعه‌ای متقارن و کروی شکل در خواهد آمد؛ و برای اوربیتال‌های غیر s، که { lobes }دارند، { lobe }ها در جهتی قرار می‌گیرند که فضا رابرای آن تعداد از ناحیه‌ها که در هر مجموعه‌ای از جهت‌ها وجود دارند تا حد امکان به‌طورمتقارن ترپر کنند. به عنوان مثال، سه اوربیتال p شش ناحیه دارند که هر یک دریکی از شش جهت اصلی از ۳ راستای فضای سه بعدی هستند؛ برای ۵ اوربیتال d، در مجموع ۱۸ ناحیه، وجود دارد که در آن دوباره شش ناحیه درراستای شش جهت اولیه، و ۱۲ ناحیه بعدی ۱۲ راستا را که بین هر جفت از این ۶ محور اصلی وجود دارد، پر می‌کنند.
علاوه بر این، چنان‌که موردی با اوربیتال s است اوربیتال‌های p, d، f و g منحصربه‌فرد با مقادیر ñ بیشتر از پایین‌ترین مقدار ممکن، ساختار گرهی شعاعی اضافی نمایان می‌شود که یادآور موج‌های هارمونیک همان نوع با مد پایه موج است. مطابق با اوربیتال s در بالاترین مقدار ممکن بعدی ñ، دراوربیتال‌های p, d، f و g (به عنوان مثال، در مقابل اوربیتال‌های ۲p پایه، اوربیتال‌های ۳p)، یک گره اضافی در هر لوب ایجاد می‌شود. برای هر نوع اوربیتالی مقادیر بالاتر ñ تعداد گره‌های شعاعی را بیشتر افزایش می‌دهند.
شکل اوربیتال‌های اتمی، در یک اتم تک الکترون به هماهنگ‌های کروی سه بعدی مربوط می‌شود.
البته انواعی از اوربیتال به نام‌های g-hوi وجود دارند که در حالت برانگیختگی الکترون‌ها مشاهده می‌شوندو در حالت عادی الکترون‌ها در داخل فضای این اوربیتال‌ها حرکت نمی‌کنند.

چینش الکترون و جدول تناوبی

قوانین زیادی بر چینش الکترون‌ها در اوربیتال حاکمند نخستین قاعده این است که هیچ دو الکترونی در اتم نباید دارای مجموعه‌ای مشابه از اعداد کوانتومی‌باشند (این اصل طرد پائولی است). اعداد کوانتومی شامل سه عددی که اوربیتال هارا تعریف می‌کنند به علاوه s یا عدد کوانتومی اسپین می‌شوند؛ بنابراین، دو الکترون ممکن است اوربیتال یکسانی را اشغال کنند که البته این امر وقتی ممکن است که مقادیر s متفاوتی داشته باشند. با این حال، تنها دو الکترون. به این دلیل که اسپین‌های آن‌ها می‌تواند با هر اوربیتال {ارتباط} بر قرار کند.
علاوه بر این، الکترون همیشه تمایل دارد در پایین‌ترین حالت انرژی ممکن قرار گیردبرای الکترون این امکان وجود دارد که تا زمانی که اصل طرد پائولی را نقض نمی‌کند، اوربیتال خاصی را اشغال کند ولی اگر اوربیتال‌هایی با انرژی پایین‌تر وجود داشته باشند، این، وضعیت (قرارگیری در اوربیتال بالاتر) نا پایدار خواهد بود. الکترون سرانجام انرژی آزاد خواهد کرد (به صورت تابش فوتون) وباوربیتالی پایین‌تر (از نظر انرژی) خواهد پرید. بدین ترتیب، الکترون‌ها اوربیتال‌ها را بر اساس توالی انرژی داده شده در جدول فوق پر خواهند کرد.
این رفتار، دلیل ساختار جدول تناوبی است. جدول ممکن است چند ین ردیف داشته باشد (به نام 'دوره')، شمارش از ۱و از بالا شروع می‌شود. عناصر شناخته شده فعلی هفت دوره از جدول تناوبی رااشغال می‌کنند. اگردوره‌ای شماره iرا دارد، به عناصری اختصاص دارد که الکترون‌های لایه آخرشان در حال پر کردن i امین لایه هستند.
جدول تناوبی ممکن است به چندین گروه تقسیم شود. عناصر متعلق به یک گروه مشخص از این ویژگی مشترک برخوردارند: الکترون‌های با انرژی بیشینه‌شان، همه به حالت  مشابهی تعلق دارند. (اما n مربوط به آن حالت  بستگی به دوره دارد). به عنوان مثال، دو ستون چپ گروه s را تشکیل می‌دهند. خارجی‌ترین الکترون‌ها ی Li و Be به ترتیب به زیر لایه ۲s تعلق دارند و Na و Mg به زیر لایه ۳s.
تعداد الکترون در یک اتم خنثی (طبیعی) با افزایش عدد اتمی افزایش می‌یابد. الکترون‌های خارجی‌ترین لایه، یا الکترون‌های ظرفیتی (والانس)، مسئول رفتار شیمیایی عناصر هستند. عناصری که الکترون‌های ظرفیتی یکسانی دارند می‌توانند با یکدیگر گروه بندی شده و خواص شیمیایی مشابه‌ای داشته باشند.

اثرات نسبیتی

برای عناصر با عدد اتمی(Ž)بالا، اثرات نسبیتی بیشتر نمایان می‌شود، به خصوص الکترون‌های s، که با سرعت‌های نسبیتی حرکت می‌کنند{ به عنوان نمایش نزدیک هسته اتم‌های با Ž بزرگ.} این افزایش نسبیتی اندازه حرکت الکترون‌ها برای سرعت‌های بالا موجب کاهش طول موج مربوطه و انقباض اربیتال s ۶نسبت به اوربیتال ۵d می‌شود. (با مقایسه الکترون‌های s و d متناظردر عناصر سبک‌تر در همان ستون از جدول تناوبی)؛ این نتایج در الکترون‌های والانس s۶ باعث کم شدن انرژی می‌شوند.
نمونه‌هایی از نتایج قابل توجه فیزیکی این اثر عبارتند از کاهش دمای ذوب جیوه (که ناشی از الکترون ۶s که برای نوار فلزی در دسترس نیستند) و رنگ طلایی طلا و سزیم (ناشی از تنگی s ۶به d ۵که منجر به انتقال انرژی به نقطه که نور مرئی شروع به جذب شدن می‌کند، مشاهده می‌شود)
سرعت الکترونی با  در مدل بور، از رابطه  به دست می‌آید که در آن Zعدد اتمی،  ثابت ساختار ریز وc سرعت نور است؛ بنابراین در مکانیک کوانتومی غیر نسبیتی، الکترون‌های s ۱ هر اتم با عدد اتمی بزرگتر از ۱۳۷ باید با سرعتی بالاتر ازسرعت نورحرکت کند. حتی در معادله دیراک، که به اثرات نسبیتی را نیز به حساب می‌آورد، تابع موج الکترون برای اتم‌هایی با Z> ۱۳۷ نوسانی وغیر مقید است. اهمیت عنصر ۱۳۷، که untriseptium نامیده می‌شود، ابتدا توسط ریچارد فاینمن مورد اشاره قرار گرفته بود. عنصر ۱۳۷ گاهی اوقات به نام غیررسمی Feynmanium (نمادFy) نامیده می‌شود. با این حال، تقریب فاینمن برای پیش‌بینی دقیق مقدار بحرانی Ž به دلیل طبیعت غیر نقطه‌ای بار هسته و شعاع مداری بسیار کوچک الکترون‌ها ی داخلی، شکست می‌خورد و در نتیجه پتانسیل درونی دیده شده توسط الکترون است که به‌طور مؤثر از Ž کمتر است. مقدار بحرانی Ž که اتم را ناپایدار می‌کند با توجه به فروشکست قسمت بالا ی خلاء و تولید زوج الکترون پوزیترون، تا حدود ž = ۱۷۳ اتفاق نمی‌افتند. این وضعیت‌ها جزدر شرایطی گذرا در برخورد با هسته‌های بسیار سنگین مانند اورانیوم در شتاب دهنده‌ها، جایی که الکترون و پوزیترون تولید از این اثر، ادعا شده که مشاهده شده‌اند، پیش نمی‌آیند. مشاهده فرمت از جدول تناوبی فراتر از دوره هفتم.