Bir kilise orgu içinde hapsolmuş ses dalgalarının ancak kısıtlanmış yollardan titreşim sağlayabildiğini hatırlayın. Aynı durum, atomun içine hapsolmuş bir elektronla bağlantılı dalgalar için de geçerlidir. Her bir farklı titreşim, bir elektronun, atomun merkezindeki çekirdeğe göre belirli bir mesafede bulunan olası bir yörüngesine ve belirli bir enerji düzeyine denk gelmektedir (elbette ki, elektron ya da diğer mikroskobik parçacıklar için yüzde 100 kesinlikte bir rota olmadığından, söz konusu yörünge bir elektronu bulmak için en olası yer olarak kabul edilir).
Fizikçiler ve kimyagerler yörüngeleri numaralandırmaktadır. Taban durumu (ground state) olarak da bilinen en içteki yörünge 1, ardı sıra gelen yörüngeler ise içten dışa doğru 2, 3, 4 … şeklinde numaralandırılmıştır. Bu kuantum numaralarının mevcudiyeti, mikroskobik dünyada (söz konusu olan elektron yörüngeleri olduğunda bile) her şeyin nasıl ara değerler olmaksızın, ayrık adımlarla meydana geldiğini ortaya koymaktadır.
Elektron bir yörüngeden, çekirdeğe daha yakın olan bir başka yörüngeye “sıçradığında,” atom enerji kaybeder ve bu enerji dışa bir ışık fotonu olarak yayılır. Bu fotonun enerjisi tam olarak, iki yörünge arasındaki enerji farkına eşittir. Bunun zıt doğrultusunda bir atlamada ise atom, iki yörünge arasındaki enerji farkına eş düzeyde enerji taşıyan bir fotonu soğurur. Bu durumda, elektron bir yörüngeden çekirdeğe daha uzak olan bir başka yörüngeye sıçrar.
Işığın bu şekilde “yayılması” ve “soğurulması,” neden her farklı atom türünün yalnızca belli özel enerjilere sahip (ve özel frekanslara bağlı) fotonları tükürdüğünü ya da yuttuğunu açıklamaktadır. Bu özel enerjiler aslında elektron yörüngeleri arasındaki enerji farklarıdır. Müsaade edilen sınırlı sayıda yörünge olduğundan yörüngeler arası geçişlerin sayısı da kısıtlıdır.
Ancak bu durum göründüğü kadar basit değil. Bir atomun içinde titreşen elektron dalgaları karmaşık bir yapıya sahip, üç boyutlu şeyler olabilir. Bu dalgalar, yalnızca elektronun çekirdekten belirli bir uzaklıkta bulunmasının daha olası olduğunu işaret etmekle kalmayıp aynı zamanda belli bir yönde bulunmasının daha olası olduğunu da ortaya koyuyor olabilir. Örneğin bir elektron dalgası, bir atomun kuzey ve güney kutuplarında, diğer yönlerde olduğundan daha büyük olabilir. Bu türden bir yörüngede olan bir elektronun, kuzey ya da güney kutuplarda bulunma olasılığı daha yüksektir.
Üç boyutlu uzayda bir yönü tanımlamak iki sayı gerektirir. Yerkürede yalnızca enlem ve boylamın gerekli olduğunu düşünün. Benzer şekilde, çekirdeğe olan mesafesini tanımlayan sayılara ilaveten, çekirdekten uzaklığının dışında yönü de değişen bir elektron dalgasını tanımlamak için iki tane daha kuantum sayısı gerekir. Böylece toplamımız üç olur. Daha aşina olduğumuz (örneğin güneşin etrafında dönen gezegenlerinki gibi) yörüngelere hiç benzemediklerinden dolayı, elektron yörüngelerine özel bir ad konmuştur: orbitaller.
Elektron orbitallerinin net şekli, su ve karbondioksit gibi molekülleri oluşturmak için farklı atomların nasıl birbirlerine bağlandığının saptanması açısından çok önemlidir. Burada anahtar durumunda olanlar, en dıştaki elektronlardır. Örneğin bir atom dış yörüngelerindeki bir elektronu, bir başka atomla paylaşarak kimyasal bir bağ oluşturabilir. En dıştaki elektronun tam olarak nerede olduğu bu anlamda çok önemlidir. Bulunma olasılığının en yüksek olduğu yerler atomun kuzey ve güney kutuplarıysa, atomun, kuzey ve güneydeki diğer atomlarla kimyasal bağ kurması çok daha kolay olacaktır.
Atomların sayısız birleşme biçimlerini inceleyen bilim dalı kimyadır. Atomlar en temel düzeydeki Lego taşlarıdır. Farklı yollarla bir araya getirerek, atomlardan bir çiçek, altın külçesi ya da insan oluşturulabilir. Ancak etrafımızdaki dünyada gördüğümüz inanılmaz çeşitlilikteki nesneleri yaratmak için bu Lego taşlarının tam olarak nasıl bir araya geldiği, kuantum teorisi tarafından belirlenmektedir.
Elbette ki, Lego taşlarıyla çok sayıda kombinasyon sağlanması, tek bir tür Lego taşından daha fazlasını gerektiriyor. Elimizde 92 tür Lego taşı var. Doğada bulunan en hafif element olan hidrojenden, en ağır olanı uranyuma kadar giden bir liste bu. Peki ama, neden bu kadar çok farklı türde atom bulunuyor? Neden hepsi de aynı değil? Bir kez daha, kuantum teorisine bağlanıyoruz.