En un átomo, los electrones cargados negativamente son atraídos al núcleo cargado positivamente. En un átomo multielectrón, también se observan repulsiones electrón-electrón. Las fuerzas de atracción y repulsión dependen de la distancia entre las partículas, así como del signo y la magnitud de las cargas sobre las partículas individuales. Cuando las cargas sobre las partículas son opuestas, se atraen entre sí. Si ambas partículas tienen la misma carga, se repelen entre sí.

A medida que aumenta la magnitud de las cargas, aumenta la magnitud de la fuerza. Sin embargo, cuando la separación de cargas es mayor, las fuerzas disminuyen. Así, la fuerza de atracción entre un electrón y su núcleo es directamente proporcional a la distancia entre ellos. Si el electrón está más cerca del núcleo, está más unido al núcleo; por lo tanto, los electrones en las diferentes capas (a diferentes distancias) tienen energías diferentes.

Para los átomos con múltiples niveles de energía, los electrones internos protegen parcialmente a los electrones externos de la tracción del núcleo, debido a las repulsiones electrón-electrón. Los electrones centrales protegen a los electrones en las capas externas, mientras que los electrones en la misma capa de valencia no bloquean la atracción nuclear experimentada entre ellos de manera tan eficiente. Esto se puede explicar con el concepto de carga nuclear efectiva, Z_ef. Esta es la tracción ejercida por el núcleo sobre un electrón específico, teniendo en cuenta cualquier repulsión electrón-electrón. Para el hidrógeno, sólo hay un electrón, por lo que la carga nuclear (Z) y la carga nuclear efectiva (Z_ef) son iguales. Para todos los demás átomos, los electrones internos protegen parcialmente a los electrones externos de la tracción del núcleo, y así:

La penetración orbital describe la capacidad de un electrón para estar más cerca del núcleo. Los electrones en el orbital s pueden acercarse al núcleo y tener una capacidad más penetrante. La densidad de probabilidad para un orbital s esférico es distinta de cero en el núcleo.  Las distintas subcapas tienen orientaciones espaciales diferentes. Debido al orbital en forma de mancuerno, el electrón p penetra mucho menos. Su función de onda tiene un nodo que pasa a través del núcleo, donde la probabilidad de encontrar el electrón es cero. Por lo tanto, un electrón en el orbital s está unido más estrechamente al núcleo y tiene menos energía que el electrón p. Un electrón d tiene una penetración aún menor y una energía mayor que un electrón en el orbital p.
Para varias capas y subcapas, la tendencia del poder de penetración de un electrón se puede representar de la siguiente manera

El efecto del blindaje y la penetración es grande, y un electrón 4s puede tener una energía más baja que un electrón 3d.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 6.4: Estructura Electrónica de los Átomos (Configuraciones Electrónicas).