Atomi -orbitaali on avaruusalue atomin ytimen ympärillä, jossa elektroni sijaitsee. Tarkkaa sijaintia voidaan arvioida vain käyttämällä todennäköisyyslakia. Atomi -orbitaalit miehittävät pallomaisia alueita ytimen ympärillä kolmessa ulottuvuudessa, joten elektronit eivät kiertä ytimen ympäri kuin planeetta kiertää tähteä. Myös orbitaaleilla on erilaisia muotoja; yksi tyyppi, joka ympäröi symmetrisesti atomin ytimen, ja toinen, joka leviää eri suuntiin ytimen kummallakin puolella. Jokainen atomikierto, riippumatta sen tyypistä, sijaitsee eri energiatasoilla, jotka ulottuvat kauemmas ytimestä, ja alin energiataso on lähinnä.
Kun energiataso ympäröi ydintä, sitä kutsutaan s -kiertorataksi, ja kun kiertorata leviää kummallakin puolella, se tunnistetaan ap -kiertorataksi. Atomi -orbitaaleilla on myös monia muita muotoja, jotka auttavat kuvaamaan elektronien luonnetta ydintä ympäröivinä aaltoina. Atomit, joissa on yksi elektroni, on rakennettu kuin planeetta, jossa on ilmakehä, ja atomit, joissa on monia elektroneja, näyttävät ympäröivän elektronipilven. Ytimen lähellä olevilla elektroneilla on pienempi energia, kun taas orbitaaleista tulee monimutkaisempia korkeammalla energiatasolla kauempana ytimestä.
Kvanttilukua käytetään elektronien energiatilojen määrittämiseen, ja elektronit muuttavat energiatasoja lähettämällä tai absorboimalla energiaa. Atomin tila määritetään milloin tahansa analysoimalla sen elektronikonfiguraatio, joka voi muuttua vuorovaikutuksessa muiden ympäristön atomien ja molekyylien kanssa. Millä tahansa tasolla on enintään kolme p -orbitaalia, lukuun ottamatta ensimmäistä ytimen ympärillä, ja mitä korkeampi energiataso, sitä pitempi kiertorata on. Jokaisella atomiradalla on kaksi elektronia, jotka erottuvat toisistaan niiden pyörimissuunnan mukaan.
Mukana olevissa atomeissa kukin atomikierto on vuorovaikutuksessa molekyylien ja yhdisteiden muodostumisen aikana. Lineaarisissa yhdistelmäatomissa kaksi tai useampia atomeja voi jakaa elektroneja kunkin orbitaalin välillä. Hybridisaatioatomi -orbitaaliteoria kuvaa molekyylin muodon, kun se on sidottu yhteen yhden atomin sijasta muutaman. Se voi sisältää sekä s- että p -orbitaalien yhdistelmän, ja myös elektronien lukumäärä on ilmoitettu. Kvanttimekaniikan asiantuntijat tutkivat kunkin atomin elektronin atomikiertoa ymmärtääkseen atomien monimutkaisuuden ja niiden vuorovaikutuksen.