Los elementos en cada elemento ocupan en forma gradual los diferentes niveles, subniveles y orbitales, para formar la estructura periférica del núcleo.
Después del número atómico 18, se presentan subniveles de un nivel superior que tienen mayor energía que otros de un nivel inferior y en consecuencia se traslapan.
Existe un orden energético de ocupación de los diferentes subniveles llamados aufbau (construir en alemán) propuesto por Pauli y que se puede visualizar con la siguiente ayuda nemotécnica.
Así el orden de llenado será: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p..
Obsérvese cómo se llena primero el nivel 1: subnivel 1s, después el nivel 2: 2s 2p, a continuación empieza a llenarse el nivel 3: 3s 3p y en vez de terminar de llenar 3d, se empieza con el nivel 4: 4s. Esto significa que el subnivel 4s, que corresponde al cuarto nivel, tiene menor energía que el 3d que es del tercer nivel, es decir están traslapados. Situaciones similares se presentan más adelante al seguir el aufbau.
El orden de la ocupación de las diferentes capas de energía en el átomo está relacionado con los números cuánticos. Así, por ejemplo, el elemento carbono (Z=6) tiene 6 electrones, que distribuyen así: 1s² 2s² 2p¹ 2p¹ y cada electrón tiene los siguientes números cuánticos.
| Electrón | n | l | m | s |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 | 0 | +½ |
| 2 | 1 | 0 | 0 | –½ |
| 3 | 2 | 0 | 0 | +½ |
| 4 | 2 | 0 | 0 | –½” |
| 5 | 2 | 1 | –1 | +½ |
| 6 | 2 | 1 | 0 | +½ |
El número n corresponde al nivel: el número 1 al subnivel: s= 0, p= 1, d= 2, f= 3: el número m designa el orbital: px= -1, py= 1, si se trata del subnivel p; y el número s indica el sentido de la rotación.
De esta manera el 5° electrón del átomo de carbono se encuentra en el 2° nivel de energía, o nivel L, en un subnivel p en un orbital px, con un sentido de rotación positivo.
La regla de la máxima multiplicidad de Hund establece que los electrones que están llenando un mismo subnivel entran a sus orbitales en forma gradual sin “aparearse” (número rotatorio del mismo signo), y una vez el subnivel se encuentra lleno hasta la mita (semilleno), empiezan a entrar electrones con el “spin” contrario. Esto puede apreciarse con el ejemplo del carbono, cómo, después de llenar, 2px¹ no sigue 2px² sin o 2py¹ y así podría seguir el orden:
2px¹ 2py¹ 2pz¹ (semilleno)
y después, el siguiente electrón llega al orbital px:
2px¹ 2py¹ 2pz¹
Los electrones del orbital px se encuentran “apareados” (rotaciones contrarias), en tanto que los de p, y p, no están “apareados”, rotan en el mismo sentido.