In den bisher beschriebenen Atommodellen von Rutherford (Kern-Hülle-Modelle) und Bohr (Schalenmodell) werden Elektronen als Teilchen beschrieben, die den gleichen klassischen Gesetzten der Mechanik folgen, wie Planeten um die Sonne.
Die “Unschärfebeziehung” von Heisenberg (Ort und Geschwindigkeit von Elektronen lassen sich nicht beliebig genau bestimmen) führt dazu, dass sich die Vorstellung von genau definierten Bahnen in der Atomhülle als falsch erwiesen hat. Über die Bahn sind prinzipiell keine Aussagen möglich, die Bahn kann nur mithilfe statistischer Möglichkeiten beschrieben werden.
Im Orbitalmodell wird nun die Bahn auf der sich Elektronen befinden zu einem Aufenthaltsraum (Orbital), in dem sich ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit aufhält. Daher stammt auch der Name “Orbital”. In den Naturwissenschaften versteht man unter einem Orbitale (eines Atoms) die Aufenthaltsräume von Elektronen in der Elektronenhülle. Der genauere Aufenthaltsort der Elektronen kann aufgrund der vorher erwähnten Heisenbergschen Unschärferelation nicht exakt angegeben werden, sondern nur “Aufenthaltsräume” mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit.
Für das Orbitalmodell werden vier Quantenzahlen ausgegeben (Elektron kann aufgrund von Quantenzahlen beschrieben werden) mit dem ein Zustand (bzw. die Verteilen der Elektronen in der Atomhülle) beschrieben werden kann. Im Orbitalmodell wird dabei wird zwischen der Hauptquantenzahl n, der Nebenquantenzahl l, der Magnetquantenzahl m und dem Spin s unterschieden.
Orbitale sind die Bereiche um einen Atomkern, in denen sich Elektronen mit der höchsten Wahrscheinlichkeit befinden. Sie können verschiedene Formen annehmen, wie z.B. s-orbitale (kugelförmig) und p-orbitale (hantelförmig).
Die Hauptkomponenten eines Atoms im Orbitallmodell sind der Atomkern und die Elektronenwolke, die aus den Elektronenorbitale besteht.
Die Hauptquantenzahl n gibt die Schale, in der sich ein Elektron befindet, an. Sie kann Werte von 1 (K-Schale) bis 7 (Q-schale) annehmen und steigt mit der Entfernung vom Kern.
Es gibt vier Quantenzahlen: Die Hauptquantenzahl (Energiestufe), die Nebenquantenzahl (Art des Orbitals), die Magnetquantenzahl (Ausrichtung des Orbitals) und die Spinquantenzahl (Ausrichtung des Elektronenspins).
Weil es Quanteneigenschaften der Elektronen, wie ihren Spin und ihre Dualität als Teilchen und Welle, einbezieht. Es ist daher ein genaueres Modell als das Bohrsche Atommodell.
Die Nebenquantenzahl l kann Werte von 0 bis n-1 annehmen. Sie bestimmen die Form des Orbitals.
Die Magnetquantenzahl ml gibt die Ausrichtung eines Orbitals im Raum an. Sie variiert zwischen -l und +l.
Nach dem Pauli-Ausschließungsprinzip kann ein Orbital höchstens von zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin besetzt werden.
Das Heisenbergsche Unschärferelation besagt, dass man nicht gleichzeitig den genauen Ort und den genauen Impuls eines Teilchens bestimmen kann. Dies ist eine Grundlage der Quantenmechanik.
Die Spinquantenzahl ms gibt die Orientierung des Elektronenspins an. Sie kann zwei Werte annehmen: +1/2 (Spin up) und -1/2 (Spin down).