Atomorbitale haben unterschiedliche Energien, wie es durch die Coulomb-Wechselwirkungen erklärt wurde, die abschirmende Wirkung und die orbitale Penetration. Das Coulomb Gesetz besagt, dass die anziehende oder abstoßende Kraft zwischen zwei geladenen Teilchen eine inversquadratische Beziehung, mit dem Abstand dazwischen, hat. Die Größe der Atomorbitale nimmt mit der Schalenzahl zu, und Elektronen werden aus dem besetzten Raum durch untere Schalenorbitale abgestoßen.

Das Coulomb Gesetz besagt also, dass wenn die Schalenzahl zunimmt, erfahren die Elektronen weniger Anziehungskraft zum Kern, welches höheren Umlaufbahnenergien entspricht. Darüber hinaus haben Elektronen, die sich in etwa gleichem Abstand vom oder näher am Kern befinden, eine Abschirmung, die die Anziehungskraft des Kerns weiter verringert. Je größer die Abschirmung, wird desto weniger Anziehungskraft des Kerns empfunden.

Dies ist ein Grund für die Unterschiede bei orbitalen Energien innerhalb von Elektronenhüllen. Zum Beispiel schirmen 3s-und 3p-Elektronen 3d-Elektronen signifikant ab. Die effektive Kernladung, die ein Elektron spürt, wird durch Subtraktion der Abschirmungskonstante S berechnet, die von der Anzahl der Abschirmelektronen abhängt, und die Unterschalen, die sie besetzen, hängt von der Kernladung ab.

Zum Beispiel die beiden 1s-Elektronen in Lithium, das eine Kernladungszahl von drei hat, rastert sein 2s-Elektron. Die Abschirmkonstante für dieses Elektron wird aus semi-empirischen Regeln mit 1, 7 bestimmt. Daher beträgt die effektive Kernladung des 2s-Elektrons 1, 3.

Auch die Form der Orbitale diktiert ihre Energie. Wenn die Elektronen in einem äußeren Orbital weit in Bereiche vordringen, die von inneren Elektronen besetzt sind, um dem Kern nahe zu sein, werden sie dort viel weniger abgeschirmt sein. Daher ist die Energie dieses äußeren Orbitals niedriger.

Dies kann mit einer radialen Verteilungsfunktionen visualisiert werden, die die Wahrscheinlichkeit beschreibt, ein Elektron in einer gegebenen Entfernung vom Kern zu finden. Diagramme der radialen Verteilungsfunktionen für die 1s, 2s und 2p Unterhüllen zeigen, dass 2s-Elektronen eine bescheidene Wahrscheinlichkeit haben, in der Nähe des Kerns zu sein, während 2p-Elektronen meist außerhalb oder am äußeren Rand der 1s Region bleiben. Es wird daher vermutet, dass das 2s-Orbital ein größeres Durchdringungsvermögen hat.

In der dritten Schale durchdringen die 3s-Elektronen am meisten und die 3d-Elektronen am wenigsten. Im Allgemeinen steigt die atomare Orbitalenergie mit der Schalenzahl und auf der Unterschalen-ebene von s bis f. Der Penetrationseffekt wird jedoch so signifikant in der vierten und fünften Schale, dass die 4er-und 5er-Orbitale häufig niedrigere relative Energien haben als die 3d-und 4d-Orbitale.