При заполнении электронных слоев кроме принципа наименьшей энергии выполняется принцип (запрет) Паули, согласно которому
"В атоме не может быть 2-х электронов с одинаковым значением всех квантовых чисел".
Из этого следует, что на каждой орбитали, характеризующейся определенными значениями главного (n), орбитального (l) и магнитного (ms) квантовых чисел, может находиться не более 2-х электронов, спины которых имеют противоположные знаки.
2 электрона, находящиеся на одной орбитали (и характеризующиеся противоположно направленными спинами), называются спаренными. Спины одного направления называют параллельными, а противоположно направленные — антипараллельными.
Принцип Паули позволяет рассчитать максимальное число электронов на каждом энергетическом уровне и подуровне в атоме. Максимальное число электронов на подуровне с орбитальным квантовым числом (l) равно 2(2l + 1). При l = 0 (s-подуровень) магнитное квантовое число тоже равно нулю.
Следовательно, на s-подуровне имеется всего 1 орбиталь, и максимальное число электронов на s-подуровне каждого электронного слоя равно 2. При l = 1 (p-подуровень) магнитное квантовое число (ms) может принимать 3 значения. На 3-х p-орбиталях может находиться не более 6 электронов. При l = 2 (d-подуровень) магнитное квантовое число может принимать 5 значений и, следовательно, на 5 d-орбиталях может находиться до 10 электронов.
Если на одной s-орбитали может находиться не более 2, на 3-х p-орбиталях — не более 6, на 5 d-орбиталях — не более 10, на 7 f-орбиталях — не более 14 электронов.
Строение каждого электронного слоя зависит от значения главного квантового числа. Так K-слой (n = 1) состоит лишь из 1-й s-орбитали; L-слой (n = 2) содержит 1 2s-орбиталь и 3 2p-орбитали; M-слой (n = 3) состоит из 1-й 3s-орбитали, 3-х 3p-орбиталей и 5 3d-орбиталей и т. д. Электронная емкость слоя, определяемая максимальным количеством электронов N в данном электронном слое, описывается формулой:
N = 2n2,
где n — главное квантовое число. Рассчитанное по этой формуле максимальное количество электронов в каждом слое оказывается равным: для K-слоя — 2, для L-слоя — 8, для M-слоя — 18, для N-слоя — 32 электронам.