האטום בנוי מחלקיקים טעונים חיובית הקרויים פרוטונים, מחלקיקים ניטרליים הקרויים נויטרונים ומחלקיקים טעונים שלילית הקרויים אלקטרונים. הפרוטונים והנויטרונים מרוכזים בגרעין ויוצרים מסה טעונה חיובית. האלקטרונים, הקטנים מהם פי 2000 לערך, אינם נצמדים לגרעין, אלא נעים סביבו במהירות עצומה הקרובה למהירות האור. המהירות הגבוהה הזו אינה מאפשרת לנו למדוד את מיקומם המדויק של האלקטרונים בכל זמן נתון. לפיכך, אנו מתייחסים אל האטום כאל גרעין המוקף בענן אלקטרונים, כאשר הענן הוא למעשה המתחם בו ניתן למצוא את האלקטרונים בהסתברות הגבוהה ביותר. הענן עצמו מחולק לאזורים מוגדרים במרחב בהם ניתן למצוא את האלקטרונים בהסתברות הגבוהה ביותר ב-90% מהזמן. מרחבים אלה קרויים "אורביטלים אטומיים" וכל אחד מהם יכול לאכלס עד שני אלקטרונים לכל היותר. שני האלקטרונים הללו הם בעלי ספינים הפוכים, כלומר: תנועת הסיבוב שלהם סביב עצמם היא בכיוונים הפוכים.

כל אורביטל מסומל ע"י אות לועזית (למשל: s, p, d, f) בהתאם לצורתו וע"י מספר (1, 2, 3 וכו') בהתאם לרמת האנרגיה בה הוא מצוי. רמות האנרגיה נקבעות ע"י הכוחות הפועלים: כוחות משיכה בין האלקטרונים לגרעין מחד וכוחות הדחייה בין האלקטרונים לבין עצמם מאידך. ככל שהגרעין הוא בעל מטען גבוה יותר - האלקטרונים יימשכו אליו בכוח רב יותר. מאידך, ככל שיש יותר אלקטרונים באטום, גוברים כוחות הדחיה ביניהם ועליהם להתרחק זה מזה במרחב. לפיכך, כאשר לאטום יש אחד או שני אלקטרונים בלבד הם יוכלו להסתדר ברמת האנרגיה הראשונה תוך שהם מאכלסים את האורביטל הכדורי 1s הקרוב ביותר לגרעין. אבל אלקטרון או שניים נוספים יסתדרו כבר ברמת האנרגיה השניה, באורביטל הכדורי 2s המרוחק יותר מהגרעין, בשל כוחות הדחייה הפועלים בינם לבין שני האלקטרונים ברמה הראשונה. עד ששה אלקטרונים נוספים יוכלו להסתדר אף הם ברמת האנרגיה השנייה, אבל כשהם מפוזרים בזוגות בין שלושת האורביטלים דמויי שעון החול 2px 2py, 2pz הממוקמים לאורך צירי x y, z בריחוק מקסימלי זה מזה עקב הדחייה החשמלית ביניהם. אם יהיו אלקטרונים נוספים הם יאכלסו את האורביטלים של רמת האנרגיה השלישית וכן הלאה.

ככל שיש יותר אלקטרונים באטום, הם יסתדרו באורביטלים של רמות אנרגיה גבוהות יותר. האורביטלים נעשים מורכבים יותר ויותר עם העליה ברמת האנרגיה.

הסרטון שלהלן מדגים את הסידור המרחבי של האורביטלים השונים באטום הסקנדיום שסימולו Sc והמכיל 21 אלקטרונים 21 פרוטונים ו- 24 נויטרונים. סידור האלקטרונים באורביטלים סביב גרעין האטום נובע ממשוואת שרדינגר בתורת הקוונטים, והוא המודל המקובל כיום במדע לסידור המרחבי של האלקטרונים באטום.

סרטון זה הופק בידי Manuel Moirer