Se debe a las propiedades de la función de onda que corresponde al orbital (de hecho, un orbital y una función de onda son lo mismo).
Michael Flynn ya respondió su pregunta, por lo que realmente no tengo mucho que agregar. Había comenzado un borrador con una respuesta que no pude completar antes, pero decidí publicarlo de todos modos.
Entonces, una función de onda tiene una parte radial y un componente angular. La expresión analítica del componente radial se puede trazar para mostrar la función de distribución radial de cada orbital. En el eje x tiene radio y en el eje y es el cuadrado del componente radial de la función de onda multiplicado por [matemática] 4 \ pi r ^ 2 [/ matemática]. Esto se hace, para que uno pueda obtener la densidad de probabilidad de encontrar un electrón. 
Como puede ver en esta figura, la densidad de electrones que se define a través de esos orbitales se concentra en una región diferente. La distancia que corresponde a la mayor probabilidad de encontrar el electrón desde un punto de vista mecánico-cuántico corresponde al radio clásico.
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El orbital s es el más penetrante debido al hecho de que su número cuántico orbital es igual a cero. Esto significa que el electrón que ocupa un orbital s solo tiene interacción Coulombic con el núcleo, pero no hay fuerza centrífuga que intente alejarlo del núcleo. Entonces, un electrón que se encuentra más alejado del núcleo no experimenta el mismo potencial electrostático del núcleo cuando ya hay electrones. Este es el efecto de protección: un electrón menos penetrante interactúa con una “partícula compuesta”, es decir, que incluye el núcleo y los electrones más penetrantes, por lo que la carga positiva total es menor que la carga del núcleo mismo.
Lo mismo puede decirse de los orbitales de mayor energía. Las reglas de química para principiantes introducen que a partir de orbitales con una suma igual de principio y números cuánticos orbitales, [matemática] n + l [/ matemática] no es una abstracción aleatoria.
Puede consultar una respuesta que escribí hace algún tiempo con algunos detalles adicionales sobre la naturaleza del momento angular orbital.
La respuesta de Suzanka Bett a ¿Cómo afecta el número cuántico the a la energía de un orbital?
