Orbital

Innen kjemi og partikkelfysikk, er orbital betegnelsen på de områdene elektronet kan opptre i rundt et enkelt atom. Tidligere antok man at elektronene var partikler som gikk i separate baner (en. orbit) rundt atomkjernen på samme måten som planetene kretser rundt sola. Men i kvantemekanikken som beskriver materiens bølge-partikkel-dualitet kan partikler på dette nivået ikke sees som distinkt avgrensede fysiske gjenstander. I stedet beskrives de som en elektronsky med en romlig fordeling som angir sannsynligheten for partikkelens utstrekning og posisjon.
Et fritt elektron kan innta en hvilken som helst energitilstand, mens et elektron som er bundet til en atomkjerne bare kan anta diskrete, kvantifiserte energitilstander og orbitalene er et uttrykk for maksima i sannsynlighetsfordelingen for disse kvantifiserte energitilstandene.
Orbitalene har navn etter foreldede beskrivelser av linjene som opptrer ved spektroskopi: skarp, principal (hoved-), diffus, fundamental og g . Disse tilsvarer respektive bikvantetall: s=0, p=1, d=2, f=3 og g=4.

Orbitalenes form

Beskrivelsen av orbitalenes form er i sin natur unøyaktig. Et hvilket som helst elektron vil til forskjellige tider kunne befinne seg i en hvilken som helst avstand og retning fra atomkjernen på grunn av uskarphetsrelasjonen
Men elektronet har mye høyere sannsynlighet for å befinne seg i enkelte områder, og man kan beskrive en grenseflate der elektronet har høy sannsynlighet for å befinne seg i det innesluttede volumet og lav sannsynlighet for å befinne seg utenfor denne grenseflaten. Den eksakte grensen kan velges tilfeldig men vil følge et nivå for sannsynlighetsfordelingen  (se over). Denne grenseflaten definerer orbitalets form.
Hovedkvantetallet  bestemmer overordnet orbitalets energi og størrelse, og ettersom  øker, øker også orbitalets størrelse.
Generelt bestemmer bikvantetallet  orbitalets form og magnetisk kvantetall orienteringen, men formen vil avhenge av forhold mellom  og mᵢ. s-orbitalet har kuleform med senter i atomkjernen. p-orbitalet har form av to ellipsoider tangerer hverandre ved kjernen og de tre p orbitalene (magnetisk kvantetall -1,0,1) er orientert med aksen gjennom senter av ellipsoidene og tangeringspunktet ligger langs x,y,og z aksen. Generelt er mᵢ=0 symmetrisk om z-aksen og -/+mᵢ innebærer 90 grader rotasjon om en akse. Høyere nivåer fører til stadig mer komplekse former. Orbitaler for atomer med flere elektroner vil være forskjellig fra en-atom orbitaler, men normalt antar man at orbitalene er tilnærmet lik disse.
Orbitalets form vil sammen med kjerneladningene (atomnummer) ha betydning for molekylets geometri. I vann (H₂O) er ytterste orbital for oksygenet 2p⁴ og for hydrogen 1s¹. S-orbitalet er symmetrisk, mens de to halvfylte p orbitalene står 90° på hverandre og i utgangspunktet plasserer hydrogenatomene i en vinkel på 90 grader med hverandre. Fordi oksygen har høy elektronegativitet får vi en polar kovalent binding og elektronene vil stor grad være tiltrukket oksygenet og skjerme denne kjernen. De uskjermede hydrogenkjernene gir derfor en gjensidig frastøtende kraft. Summen av disse effektene forklarer vannets bindingsvinkel på omkring 104.5°

Elektroner, orbitaler og det periodiske system

Oppbyggingen av det periodiske system og grunnstoffenes kjemiske egenskaper er nært knyttet til organiseringen av orbitalene. Hovedkvantetall tilsvarer plasseringen i periode.
Det periodiske system deles også opp i blokker. Innen hver blokk har alle grunnstoffene sine ytterste elektroner i samme bikvantetall , og stoffene innen hver blokk har mange av de samme egenskapene. For eksempel har de to venstre kolonnene (Gruppe 1 og 2) sine ytterste elektroner i s-orbitalet (f.eks Li,Be i 2s og Na,Mg i 3s) og er alkalimetaller og jordalkalimetaller. Elektronene i ytterste skall kalles valenselektroner og antall elektroner i forhold til fullt subskall definerer i stor grad atomets kjemiske egenskaper og hvordan det forbinder seg med andre atomer til molekyler.
Antallet elektroner i et nøytralt atom tilsvarer atomnummeret, dvs. antall protoner i kjernen.