Заполнение электронных слоев сложных атомов имеет определенные закономерности. Электроны с одинаковым значением главного квантового числа n образуют уровень или квантовый слой близких по размеру облаков.
Квантовые слои построены из подслоев, объединяющих электроны с одинаковым значением орбитального квантового числа l. А подуровни (подслои) составлены из орбиталей, на каждой из которых может находиться максимум два электрона с противоположными спинами.
Для того, чтобы заполнить электронную орбиталь необходимо знать два правила и два принципа.
Принцип Паули (запрет Паули). В атоме не может быть двух электронов, для которых одинаковые значения всех четырех квантовых чисел.
Эти электроны должны находиться в разных квантовых состояниях и отличаться хотя бы одним квантовым числом (хотя бы спиновым).
Принцип наименьшей энергии. Наиболее устойчивое состояние атома и размещение электронов по уровням должно соответствовать энергии крупнейшего связи их с ядрами, т.е. электроны должны иметь наименьшую энергию и находиться в ближе к ядра слоях.
Последовательность заполнения найдена из экспериментальных данных и имеет вид с ростом энергии орбиталей многоэлектронных атомов:
1s <2s <2p <3s <3p <4s ~ 3d <4p <5s ~ 4d <5p <6s ~ 5d ~ 4f <6p <7s <6d2 <5f <6d <7p.
Порядок заполнения орбиталей данного подслоя (или по квантовых ячейках-орбиталях) подвергается правилу Гунда: суммарное спиновое число электронов данного подуровня должно быть максимальным, то есть электроны в пределах данного подуровня размещаются сначала каждый в отдельной квантовой ячейке неспаренными, а потом только спариваются, тогда суммарный спин ячейки равна 0.