Une sous-couche est une zone à l’intérieur de la couche électronique d’un atome qui contient un type d’orbitale électronique. Chaque atome est constitué d’un noyau central d’un ou plusieurs protons positifs et de zéro ou plusieurs neutrons sans charge, entourés d’électrons. Les électrons d’un atome ne sont pas libres de voyager au hasard, mais sont, dans une certaine mesure, liés. Tout comme les livres sont organisés selon le format des chapitres, des pages et des lignes, les électrons d’un atome sont organisés en couches, sous-couches, orbitales. À moins que les électrons ne soient excités énergétiquement, ils restent dans ces orbitales.
Les affectations aux désignations de couches et de sous-couches dépendent des caractéristiques mécaniques quantiques d’un électron lié. Il existe quatre de ces nombres quantiques : n, l, m et s. Il s’agit du nombre quantique primaire lié à l’énergie (n) – associé au modèle de Bohr de l’atome, du nombre quantique du moment angulaire (l), du vecteur composante du moment angulaire (m) et du nombre quantique de spin (s). La valeur n définit le shell et doit être un nombre entier non inférieur à un. Si le nombre quantique primaire n=1, le nombre de coquille est 1, aussi appelé la coquille K ; si n=2, le numéro de coque est 2, la coque L ; si n=3, la coque M ; n=4, la coquille N ; n=5, la coquille O ; etc.
En contournant, momentanément, la description du prochain niveau d’ordre – les sous-couches – les orbitales électroniques dépendent de la valeur et du moment angulaire de l’électron. Les valeurs du nombre quantique du moment angulaire, l, peuvent être zéro ou des nombres entiers supérieurs à zéro ; si l=0, l’orbitale est une orbitale s ; si l=1, c’est un p- ; si l=2, un d- ; l=3, un f- et si l’orbitale a une valeur l=4, l’orbitale est une g-orbitale. C’est la valeur l qui détermine la probabilité qu’un électron se trouve dans une certaine région de l’espace, cette région possédant une forme définie. Une orbitale s est sphérique, tandis qu’une orbitale p a deux sphères aplaties avec les surfaces planes se faisant face. La forme de l’orbitale d peut avoir quatre orbes étroitement associés, ou deux orbes au-dessus et au-dessous d’un anneau – des valeurs plus élevées de l conduisent à d’autres formes de probabilité orbitale.
Chaque coque a une ou plusieurs sous-couches, chacune pouvant contenir des orbitales. Les lettres identifiant les sous-couches correspondent aux types d’orbites qu’elles contiennent : une sous-couche d contient des orbitales d, une sous-couche f, des orbitales f. Le nombre de composants de moment angulaire ou de valeurs m possibles, multiplié par le nombre de quantums de spin ou de valeurs s possibles, détermine le nombre maximal d’orbitales pouvant exister dans une sous-couche particulière. Les valeurs de m peuvent être n’importe quel nombre entier compris entre -1 et +1, y compris 0, tandis que s doit être +1/2 ou -1/2. Le calcul nous donne, dans le cas d’une sous-couche f (l=3), sept valeurs m et deux valeurs s, ce qui donne un maximum de 7×2=14 orbitales possibles.
L’addition des orbitales de la sous-couche nous donne le nombre d’orbitales possibles dans chaque type de coque. Dans une couche K, il n’y a qu’une seule sous-couche s, qui elle-même contient un maximum de deux orbitales s. Deux sous-couches, s- et p-, sont contenues dans la couche L, et chaque sous-couche contient jusqu’à 2+6=8 orbitales. Les trois sous-shells d’un M-shell, s-, p- et d-, peuvent contenir 2+6+10=18 orbitales, tandis que les sous-shells s-, p-, d- et f-shell d’un N-shell peuvent contenir jusqu’à 2 +6+10+14=32 orbitales. Les coquilles G comprennent les sous-coquilles s-, p-, d-, f- et g, et peuvent contenir jusqu’à 2+6+10+14+18=50 orbitales.