Un subshell è un’area all’interno del guscio elettronico di un atomo che contiene un tipo di orbitale elettronico. Ogni atomo è costituito da un nucleo centrale di uno o più protoni positivi e zero o più neutroni privi di carica, con gli elettroni che lo circondano. Gli elettroni di un atomo non sono liberi di viaggiare a caso, ma sono, in una certa misura, legati. Proprio come i libri sono organizzati secondo il formato di capitoli, pagine e righe, gli elettroni di un atomo sono organizzati in gusci, sottoconchiglie, orbitali. A meno che gli elettroni non siano energeticamente eccitati, rimangono in quegli orbitali.
Le assegnazioni alle designazioni di shell e subshell dipendono dalle caratteristiche della meccanica quantistica di un elettrone legato. Esistono quattro di questi numeri quantici: “n”, “l”, “m” e “s”. Questi sono il numero quantico primario correlato all’energia (n) – associato al modello di Bohr dell’atomo, il numero quantico del momento angolare (l), il vettore del componente del momento angolare (m) e il numero quantico di spin (s). Il valore n definisce la shell e deve essere un numero intero non inferiore a uno. Se il numero quantico primario n=1, il numero di shell è 1, chiamato anche shell K; se n=2, il numero della shell è 2, la shell L; se n=3, il guscio M; n=4, il guscio N; n=5, il guscio O; e così via.
Bypassando, momentaneamente, la descrizione del livello successivo di ordine – subshells – gli orbitali degli elettroni dipendono dal valore e dal momento angolare dell’elettrone. I valori del numero quantico del momento angolare, l, possono essere zero o numeri interi maggiori di zero; se l=0, l’orbitale è un orbitale s; se l=1, è un p-; se l=2, un d-; l=3, un f- e se l’orbitale ha un valore l=4, l’orbitale è un g-orbitale. È il valore l che determina la probabilità che un elettrone si trovi all’interno di una certa regione dello spazio, regione che possiede una forma definita. Un orbitale s è sferico, mentre un orbitale p ha due sfere appiattite con le superfici piane una di fronte all’altra. La forma dell’orbitale d può avere quattro sfere strettamente associate, o due sfere sopra e sotto un anello: valori più alti di l portano ad altre forme di probabilità orbitali.
Ogni shell ha una o più subshell, ognuna delle quali può contenere orbitali. Le lettere che identificano le subshell corrispondono ai tipi di orbitali che contengono: una d-subshell contiene d-orbitali, una f-subshell, f-orbitali. Il numero della possibile componente del momento angolare o dei valori m, moltiplicato per il numero di possibili quanti di spin o valori s, determina il numero massimo di orbitali che possono esistere all’interno di una particolare subshell. I valori per m possono essere qualsiasi numero intero compreso tra -1 e +1, incluso 0, mentre s deve essere +1/2 o -1/2. Il calcolo ci dà, nel caso di una f-subshell (l=3), sette valori m e due valori s, risultando in un massimo di 7×2=14 possibili orbitali.
La somma degli orbitali subshell ci dà il numero di possibili orbitali in ogni tipo di shell. In una K-shell, c’è solo una s-subshell, che a sua volta contiene un massimo di due s-orbitali. Due subshell, s- e p-, sono contenuti nel L-shell e ogni subshell contiene fino a 2+6=8 orbitali. I tre subshell di un M-shell, s-, p- e d-, possono contenere 2+6+10=18 orbitali, mentre i subshell s-, p-, d- e f di un N-shell ne contengono fino a 2 +6+10+14=32 orbitali. I g-shell includono s-, p-, d-, f- e g-subshell e possono contenere fino a 2+6+10+14+18=50 orbitali.