Dans un atome, les électrons chargés négativement sont attirés par le noyau chargé positivement. Dans un atome à plusieurs électrons, on observe également des répulsions électron-électron. Les forces attractives et répulsives dépendent de la distance entre les particules, ainsi que du signe et de l'intensité des charges sur les particules individuelles. Lorsque les charges sur les particules sont opposées, elles s'attirent les unes les autres. Si les deux particules ont la même charge, elles se repoussent l'une l'autre.

À mesure que l'intensité des charges augmente, l'intensité de la force augmente. Toutefois, lorsque la séparation des charges est plus importante, les forces diminuent. Ainsi, la force d'attraction entre un électron et son noyau est directement proportionnelle à la distance qu'il y a entre eux. Si l'électron est plus proche du noyau, il se lie plus fermement au noyau ; par conséquent, les électrons sur les différentes couches (à différentes distances) ont des énergies différentes.

Pour les atomes à plusieurs niveaux d'énergie, les électrons internes protègent partiellement les électrons externes de l'attraction du noyau, en raison des répulsions électron-électron. Les électrons de cœur protègent les électrons sur les couches externes, tandis que les électrons sur la même couche de valence ne bloquent pas l'attraction nucléaire qu'ils subissent les uns les autres aussi efficacement. Cela peut être expliqué grâce au concept de la charge nucléaire effective, Z_eff. Il s'agit de la force exercée par le noyau sur un électron précis, en tenant compte des répulsions électron-électron. Pour l'hydrogène, il n'y a qu'un seul électron, et la charge nucléaire (Z) et la charge nucléaire effective (Z_eff) sont donc égales. Pour tous les autres atomes, les électrons internes protègent partiellement les électrons externes de l'attraction du noyau, et donc :

La pénétration d'une orbitale décrit la capacité d'un électron à être plus proche du noyau. Les électrons de l'orbitale s peuvent se rapprocher du noyau et ils ont une capacité plus pénétrante. La densité de probabilité d'une orbitale s sphérique est non nulle au niveau du noyau.  Les différentes sous-couches ont des orientations spatiales différentes. En raison de l'orbitale en forme d'haltère, l'électron p pénètre beaucoup moins. Sa fonction d'onde a un nœud passant à travers le noyau, où la probabilité de trouver l'électron est zéro. Ainsi, un électron de l'orbitale s est lié plus fermement au noyau et a une énergie plus faible que l'électron p. Un électron d a une pénétration encore plus faible et une énergie plus élevée qu'un électron de l'orbitale p.
Pour les diverses couches et sous-couches, la tendance de la puissance pénétrante d'un électron peut être décrite comme suit

L'effet d'écran et de la pénétration est important, et un électron 4s peut avoir une énergie inférieure à celle d'un électron 3d.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 6.4 : Structure électronique des atomes (configurations électroniques).