Електрони в атомі заповнюють спочатку самі низькі орбіти, а потім більш високі.
Атом водню влаштований досить просто: один електрон обертається по орбіті навколо ядра, що складається з одного протона. Принцип Aufbau (від німецького Aufbau - «будівництво, збірка») допомагає нам зрозуміти, як змінюється атомна структура при переході від найпростішого атома водню до все більш складним атомам. Він виходить з двох передумов - з квантової механіки, яка пояснює, як функціонують електронні оболонки, розташовані навколо ядра, і з принципу заборони Паулі, згідно з яким два електрони не можуть знаходитися в одному стані. З цього випливає, що кількість електронів, які можуть розташовуватися на одній електронній оболонці атома, обмежена.
Принцип Aufbau працює приблизно так: уявімо, що ми створюємо атомні структури - починаючи з водню ми раз по раз додаємо до ядра по одному протону (і відповідну кількість нейтронів), отримуючи атоми більшого розміру. Кожен раз, коли ми додаємо до ядра позитивно заряджений протон, необхідно додати і додатковий електрон. У міру переходу від маленьких атомів до великих вільні місця на електронній орбіталі заповнюються, і ми змушені поміщати черговий електрон на першу позицію в такій доступній орбіталі (див. Атом Бора). Щось схоже ми спостерігаємо, коли муляр, будуючи стіну, цеглина за цеглиною викладає один ряд і починає наступний.
Принцип Aufbau безпосередньо випливає з принципу заборони Паулі, згідно з яким два електрона в атомі не можуть перебувати в однаковому стані, - хоча цей зв'язок не завжди була очевидна. Тобто електрони на атомних орбіталях чимось нагадують автомобілі на парковці - якщо місце вже зайнято, треба знайти собі інше, вільне, місце. Точно так само, коли ми будуємо складний атом, якщо місця на нижчих орбітах вже зайняті, електрони можуть зайняти місце тільки на вищій орбіті.
Щоб зрозуміти, як працює принцип Aufbau, необхідно знати ще одну річ - що електрони мають спіном. Уявіть, що електрони обертаються навколо своєї осі так само, як Земля обертається навколо осі, яка проходить через полюси. При цьому електрони часто утворюють пари - один обертається за годинниковою стрілкою, інший проти.
На наступному рівні складності після атома водню знаходиться атом гелію, який в нормальному стані має в ядрі два протони і два нейтрони. Цей другий електрон, який нам потрібно додати, щоб отримати атом гелію, ми можемо помістити на ту ж орбіталь, що і перший - для цього нам просто потрібно надати йому протилежний спін; при цьому два електрона будуть спарені. Отже, відповідно до принципу Aufbau, обидва електрона в атомі гелію знаходяться на нижчому доступною орбіталі, але мають протилежні спини. Це твердження було підтверджено експериментально.
Наступний елемент, літій, має у своєму ядрі три протона (і зазвичай чотири нейтрона), значить, у його атом має бути три електрони. Однак нижча електронна оболонка вже заповнено, тому додатковий електрон повинен зайняти місце на один рівень вище. У берилію (чотири протона) додатковий електрон буде спарений з третім електроном, - тим самим, який брав участь в освіті літію.
Так ми можемо продовжувати заповнювати другу оболонку, де є місце для чотирьох пар електронів. (Елемент з десятьма електронами, двома на нижчому рівні і вісьмома на наступному рівні, - неон.) Тепер можна перейти на третій електронний рівень. Атом з одним електроном на цьому рівні - натрій, а коли рівень заповниться, ми отримаємо атом аргону. Після цього, відповідно до положень квантової механіки, орбіталі стають трохи складніше - на третій оболонці, наприклад, можуть розташовуватися дев'ять пар електронів, а на четвертій і на вищих рівнях ще більше. Тим не менш виконується все той самий основний принцип. На кожній оболонці є місце тільки для певної кількості електронних пар, і як тільки рівень заповнюється, принцип Aufbau говорить нам, що треба пересуватися на наступний.
Принцип Aufbau також пояснює регулярність хімічних властивостей елементів, відкриту Дмитром Менделєєвим і впорядковану ним у його періодичній системі.