核外電子排布遵循泡利不相容
原理、能量最低原理和洪特規(guī)則．能量最低原理就是在不違背泡利不相容原理的前提下，核外電子總是盡先占有能量最低的軌道，只有當能量最低的軌道占滿后，電子才依次進入能量較高的軌道，也就是盡可能使體系能量最低．洪特規(guī)則是在等價軌道(相同電子層、電子亞層上的各個軌道)上排布的電子將盡可能分占不同的軌道，且自旋方向相同．后來量子力學證明，電子這樣排布可使能量最低，所以洪特規(guī)則可以包括在能量最低原理中，作為能量最低原理的一個補充。
自旋為半整數(shù)的粒子（費米子）所遵從的一條原理。簡稱泡利原理。它可表述為全同費米子體系中不可能有兩個或兩個以上的粒子同時處于相同的單粒子態(tài)。電子的自旋，電子遵從泡利原理。1925年W.E.泡利為說明化學元素周期律提出來的。原子中
電子的狀態(tài)由主量子數(shù)n、角量子數(shù)l、磁量子數(shù)ml以及自旋磁量子數(shù)ms所描述，因此泡利原理又可表述為原子內(nèi)不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的4個量子數(shù)n、l 、ml 、ms 。根據(jù)泡利原理可很好地說明化學元素的周期律。泡利原理是全同費米子遵從的一條
重要原則，在所有含有電子的系統(tǒng)中，在分子的化學價鍵理論中、在固態(tài)金屬、半導體和絕緣體的理論中都起著重要作用。后來知道泡利原理也適用于其他如質(zhì)子、中子等費米子。泡利原理是認識許多自然現(xiàn)象的基礎。最初泡利是在總結(jié)原子構(gòu)造時提出一個原子中沒有任何兩個電子可以擁有完全相同的量子態(tài)。
一個由2個費米子組成的量子系統(tǒng)波函數(shù)完全反對稱。
早期
20世紀早期，從做化學實驗發(fā)現(xiàn)，對于原子或分子，假若電子數(shù)量是偶數(shù)，而不是奇數(shù)，則這原子或分子會更具化學穩(wěn)定性（chemical stability）。1914年，約翰內(nèi)斯·里德伯建議，主量子數(shù)為 的電子層最多只能容納 個電子，但是他并不清楚為什么會出現(xiàn)因子 。
1916年，吉爾伯特·路易斯在論文《
原子與分子》（The atom and the Molecule）里表述出六條關于化學行為的假定，其中，第三條假定表明，“原子傾向于在每個電子層里維持偶數(shù)量的電子，更特別傾向于維持8個電子對稱性地排列于立方體的8個頂點?！钡?，他并沒有試圖預測這模型會造成什么樣的光譜線，而任何模型的預測都必須符合實驗結(jié)果
化學家歐文·朗繆爾于1919年提議，將每個
電子層按照其主量子數(shù) 分為 個同樣體積的“細胞”，每個細胞都固定于原子的某個區(qū)域，除了最內(nèi)部電子層的細胞只能容納1個電子以外，其它每個細胞都可容納2個電子。比較內(nèi)部的電子層必須先填滿，才可開始填入比較外部的電子層。
1913年，尼爾斯·玻爾提出關于氫原子結(jié)構(gòu)的波爾模型，成功解釋氫原子線譜，他又試圖將這理論應用于其它種原子與分子，但獲得很有限的結(jié)果。經(jīng)過漫長九年的研究，1922年，玻爾才又完成關于周期表內(nèi)各個元素怎樣排列的論述，并且建立了遞建原理，這原理給出在各個原子里電子的排布方法──每個新電子會占據(jù)最低能量空位。但是，波爾并沒有解釋為什么每個電子層只能容納有限并且呈規(guī)律性數(shù)量的電子，為什么不能對每個電子都設定同樣的量子數(shù)？
鈉D線是因自旋-軌道作用而產(chǎn)生的雙重線，波長分別為589.6nm、589.0nm。由于施加弱外磁場而產(chǎn)生的反常塞曼效應會使這雙重線出現(xiàn)更多分裂
*589.6nm的譜線是2P1/2態(tài)向2S1/2態(tài)躍遷產(chǎn)生的
譜線。
*589.0nm的譜線是2P3/2態(tài)向2S1/2態(tài)躍遷產(chǎn)生的譜線。
由于弱外磁場作用，2S1/2態(tài)能級會分裂成兩個子能級，2P1/2態(tài)也會分裂成兩個子能級，但由于兩個態(tài)的朗德g因子不同，因此會形成4條不同譜線。由于外磁場作用，2P3/2態(tài)能級會分裂成四個子能級，但是從2P3/2的+3/2態(tài)不能躍遷至2S1/2的-1/2態(tài)，從2P3/2的-3/2態(tài)不能躍遷至2S1/2的+1/2態(tài)，因此總共會形成6條不同譜線。
泡利發(fā)展
泡利于1918年獲準進入慕尼黑大學就讀，阿諾·索末菲是他的
博士論文指導教授，他們時常探討關于原子結(jié)構(gòu)方面的問題，特別是先前里德伯發(fā)現(xiàn)的整數(shù)數(shù)列 ，每個整數(shù)是對應的電子層最多能夠容納的電子數(shù)量，這數(shù)列貌似具有特別意義。1921年，泡利獲得博士學位，在他的博士論文里，他應用玻爾-索末非模型來解析氫分子離子H2+問題。畢業(yè)后，泡利應聘到哥廷根大學成為馬克斯·玻恩的助手，從事關于應用天文學微擾理論于原子物理學的問題。1922年，玻爾邀請泡利到哥本哈根大學的玻爾研究所做研究。在那里，泡利試圖解釋在原子譜光譜學領域的反常塞曼效應實驗結(jié)果，即處于弱外磁場的堿金屬會展示出雙重線光譜，而不是正常的三重線光譜。泡利無法找到滿意的解答，他只能將研究分析推廣至強外磁場狀況，即
帕邢-巴克效應（Paschen-Backer effect），由于強外磁場能夠退除自旋與原子軌道之間的耦合，將問題簡單化，這研究對于日后發(fā)現(xiàn)不相容原理很有助益。
隔年，泡利任聘為漢堡大學物理講師，他開始研究形成閉合殼層的物理機制，認為這問題與多重線結(jié)構(gòu)有關，因此他更加專注于研究堿金屬的雙重線結(jié)構(gòu)。按照那時由玻爾帶頭提倡的主流觀點，因為原子核的有限角動量，才會出現(xiàn)雙重線結(jié)構(gòu)。泡利不贊同這論點，1924年，他發(fā)表論文表明，堿金屬的雙重線結(jié)構(gòu)是因為電子所擁有的一種量子特性，是一種無法用經(jīng)典力學理論描述的“雙值性”。為此，他提議設置新的雙值量子數(shù)，只能從兩個數(shù)值之中選一個為量子數(shù)的數(shù)值。后來撒姆爾·高斯密特（Samuel Goudsmit）與喬治·烏倫貝克確認這性質(zhì)是電子的自旋。
電子排列
從愛德蒙·斯通納（Edmund Stoner）的1924年論文里，泡利找到解釋電子排列的重要線索，斯通納在論文里提議，將電子層分成幾個電子亞層，按照角量子數(shù) ，每個電子亞層最多可容納 個電子。斯通納并且重點指出，在處于外磁場的堿金屬的光譜線里，角量子數(shù)為 的價電子，其分裂出的能級數(shù)量等于 。泡利敏銳地查覺，在閉合殼層里，每個電子亞層都擁有 個電子，因為每一個電子都只能占據(jù)一個量子態(tài) ；其中， 是電子的總角
量子數(shù)， 是總磁量子數(shù)。電子的角量子數(shù)與自秉角量子數(shù)（1/2）共同貢獻成總角量子數(shù)；電子的磁量子數(shù)與自秉磁量子數(shù)（+1/2或-1/2）共同貢獻成總磁量子數(shù)。給定主量子數(shù)與角量子數(shù)，則總角量子數(shù) 的數(shù)值可以為 或 。對于每個總角量子數(shù) ，總磁量子數(shù) 可以擁有 種數(shù)值?？偤掀饋?，每個電子亞層可以擁有 個電子。1925年，泡利發(fā)表論文正式提出泡利不相容原理：在閉合殼層里的每個電子都有其獨特電子態(tài)，而這電子態(tài)是以四個量子數(shù) 來定義。
1940年，泡利理論推導出粒子的自旋與統(tǒng)計性質(zhì)之間的關系，從而證實不相容原理是相對論性量子力學的必然后果。保羅·埃倫費斯特于1931年指出，由于泡利不相容原理，在原子內(nèi)部的束縛電子不會全部掉入最低能量的原子軌道，它們必須按照順序占滿越來越高能量的原子軌道。因此，原子會擁有一定的體積，物質(zhì)也會那么大塊。[10][11]:25,561-562。1967年，弗里曼·戴森與安德魯·雷納（Andrew Lenard）給出嚴格證明，他們計算吸引力（電子與核子）與排斥力（電子與電子、核子與核子）之間的平衡，推導出重要結(jié)果：假若不相容原理原理不成立，則普通物質(zhì)會坍縮，占有非常微小體積。
1964年，夸克的存在被提出之后不久，奧斯卡·格林柏格（Oscar Greenberg）引入了色荷的
概念，試圖解釋三個夸克如何能夠共同組成重子，處于在其它方面完全相同的狀態(tài)但卻仍滿足泡利不相容原理。這概念后來證實有用并且成為夸克模型（quark model）的一部分。1970年代，量子色動力學開始發(fā)展，并構(gòu)成粒子物理學中標準模型的重要成份。
假如將任何兩個粒子對調(diào)后波函數(shù)的值的符號改變的話，那么這個波函數(shù)就是完全反對稱的。這說明兩個費米子在同一個系統(tǒng)中永遠無法占據(jù)同一量子態(tài)。由于所有的量子粒子是不可區(qū)分的，假如兩個費米子的量子態(tài)完全相同的話，那么在將它們對換后波函數(shù)的值不應該改變。這個悖論的唯一解是該波函數(shù)的值為零：
比如在上面的例子中假如兩個粒子的位置波函數(shù)一致的話，那么它們的自旋波函數(shù)必須是反對稱的，也就是說它們的自旋必須是相反的。
該原理說明，兩個電子或者兩個任何其他種類的費米子，都不可能占據(jù)
完全相同的量子態(tài)。通常也稱為泡利不相容原理(因奧地利物理學家泡利（1900～1958）而得名)。
這是由奧地利物理學家泡利（1900～1958）而得名。1924年，泡利發(fā)表了他的“不相容原理”：原子中不能有2個電子處于同一量子態(tài)上。這一原理使得當時所知的許多有關原子結(jié)構(gòu)的知識變得有條有理。這就是“泡利原理”，即泡利不相容原理。泡利本人獲得了1945年度的諾貝爾物理學獎。簡單來說，泡利原理就是電子除空間運動狀態(tài)外，還有一種狀態(tài)叫做自旋。電子自旋不可以簡單地比喻成球的自轉(zhuǎn)，而是電子的固有屬性（內(nèi)秉屬性），是空間外的另一個維度的物理量。電子自旋有兩種狀態(tài)，常用上下箭頭表示自旋狀態(tài)相反的電子。在一個原子軌道里，最多只能容納兩個電子，而且它們的自旋狀態(tài)相反，這就是由泡利首先提出的，并以其名字命名的泡利原理。我們知道電子是帶負電荷的物質(zhì)粒子，而什么是電荷及電荷的本質(zhì)是什么，為什么物質(zhì)會帶電，電與什么物理量有關的這個基本概念，是至今我們也沒有弄明白的一個基本概念。
而我們所接受的電荷的所有基本概念和基本理論，全來自于庫侖的物理實驗和庫侖定律。而每當我打開這些理論書籍，想去尋求這些答案時，就會非常失望。因此弄不清物質(zhì)的質(zhì)量來源和帶電本質(zhì)，是造成我們無法去統(tǒng)一物質(zhì)之間的四種基本力的最大障礙。而愛因斯坦的質(zhì)能公式和普朗克量子能量理論及正反物質(zhì)能夠相互湮滅的事實，就已經(jīng)回答了這些問題。
如果弄清了這二個最基本理論問題，就可以弄請電子為什么自旋及電子自旋的角動量是從何而來的道理。就可以避免得出相互排斥的電子可以形成化學鍵，違反庫侖定律的結(jié)論。也可解釋相互
排斥的質(zhì)子為什么可以形成原子核的原因。
上述的泡利不相容原理，不是定理，就已說明它沒有理論依據(jù)。但得出的結(jié)論卻與用愛因斯坦和普郎克量子能量理論得出的結(jié)論是一致的，就證明了它的正確。而它的意義就在于能夠解決很多的理論問題。
有愛因斯坦的質(zhì)能公式和普朗克的量子能量公式和正反物質(zhì)相互湮滅的實驗結(jié)果為依據(jù)，這都成為光與原子物理教科書中的最基本的概念。
