电子按规则填入房间
当许多电子挤进同一个原子时，它们不会随意就座，而是按固定的规则填入房间：先填能量最低的房间（构造原理），每个房间最多容纳两个自旋相反的电子（泡利），同一层的房间在配对之前先各坐一个（洪特）。再加上内层电子对外层电子的屏蔽，以及 4s 先于 3d 填充的反常，周期表的排列顺序就变得清晰起来。这一讲不是关于单个轨道的形状，而是许多电子如何按规则分配座位的故事。
每次放入一个电子，它总会落进仍有空位、能量最低的房间。这就是构造原理。一个房间最多容纳两个电子，此时两者的自旋必须方向相反（泡利不相容原理）。随着电子增多，它们按 1s、2s、2p、3s 的顺序填充，你可以看到下方的组态字符串 1s² 2s² 2p⁶ 逐渐生长。
当一个层里有多个房间时（例如 p 亚层的三个房间），电子会在配对之前先各坐一个房间。而且这些未成对电子的自旋彼此平行排列。这就是洪特规则。切换到错误的填法（把两个电子挤进同一房间），你会看到分开就座的方式总自旋 S 更大、能量更低，才是真正的基态。由于电子彼此排斥，尽量分坐在不同房间更有利。
每个房间里电子实际停留的空间形状各不相同。1s 是圆球，2p 是两瓣的哑铃，3d 是四叶形。这里看到的 ψ 及其平方 |ψ|² 是电子可能被发现的概率云，本讲让你把它作为三维立体来旋转（量子力学 area 的氢轨道一讲则把同样的东西以二维截面呈现）。拖动旋转并切换轨道，观察用颜色标出的 ψ 符号与立体形状如何变化。
外层电子并不会感受到原子核的全部正电荷，因为夹在它与核之间的内层电子屏蔽了一部分电荷。于是外层电子实际感受到的有效核电荷为 Zeff = Z − S，即质子数 Z 减去屏蔽程度 S。拖动滑块增加内层电子，Zeff 随之下降，而受到的吸引变弱的外层电子其轨道半径变大（大约 r ∝ n²/Zeff）。屏蔽越强，外层电子被推得越远。
能量的顺序取决于原子序数 Z。增大 Z 时，4s 与 3d 的能量条都会下降，但 3d 下降得更陡，因此在某一点两者交叉。这就是为什么在钾（Z=19）和钙（Z=20）中 4s 低于 3d 而先被填充，而从钪（Z=21）起 3d 已降到 4s 之下并开始填充。这种次序反转恰好决定了过渡金属从何处开始。拖动滑块改变 Z，找出两条能量条交换位置的那一刻。