سبب تقدم 4sعلى3d هو أن مستوى الطاقة 4s أقل من مستوى الطاقة 3d. ويرجع ذلك إلى أن 4s أقرب إلى النواة من 3d. وبالتالي، فإن الإلكترونات في مستوى الطاقة 4s ترتبط بقوة أكبر بالنواة من الإلكترونات في مستوى الطاقة 3d.
يمكن توضيح ذلك من خلال النظر في معادلة طاقة مستوى الطاقة في الذرة:
E = -13.6z^2/n^2
حيث:
- E هي طاقة مستوى الطاقة
- z هو عدد الإلكترونات في الذرة
- n هو الرقم الكمي الرئيسي
من هذه المعادلة، يمكننا أن نرى أن طاقة مستوى الطاقة تتناسب عكسياً مع مربع الرقم الكمي الرئيسي. وبالتالي، فإن مستوى الطاقة 4s، والذي يتميز بالرقم الكمي الرئيسي n = 4، له طاقة أقل من مستوى الطاقة 3d، والذي يتميز بالرقم الكمي الرئيسي n = 3.
وبالتالي، فإن الإلكترونات في مستوى الطاقة 4s ترتبط بقوة أكبر بالنواة من الإلكترونات في مستوى الطاقة 3d. وهذا يعني أن الإلكترونات في مستوى الطاقة 4s أقل عرضة للفقدان من الذرة من الإلكترونات في مستوى الطاقة 3d.
وهذا هو السبب في أن مستوى الطاقة 4s يسبق مستوى الطاقة 3d في جدول العناصر الدوري.