În modelul teoretic predominant al atomului, există patru numere cuantice care descriu comportamentul electronilor. Acestea includ numerele cuantice principale, azimutale, magnetice și de spin. Împreună, aceste patru numere dau starea cuantică a unui electron. O stare cuantică este setul de informații matematice necesare pentru a descrie complet un anumit sistem de materie și energie, cum ar fi un atom. Nici doi electroni nu pot împărtăși aceleași patru numere cuantice, conform principiului de excludere Pauli al mecanicii cuantice.
Primul dintre numerele cuantice se numește numărul cuantic principal. Acest număr, care poate fi orice număr întreg pozitiv care începe cu 1, se referă la distanța orbitei unui electron față de nucleul atomic. Spre deosebire de orbitele planetare, totuși, electronii nu sunt liberi să orbiteze la nicio distanță. Mai degrabă, ele sunt limitate la orbită la niveluri de energie discrete, sau cuante – un principiu central al mecanicii cuantice. Similar cu orbitele planetare, pe de altă parte, electronii care orbitează mai departe de nucleu posedă energie cinetică mai mare.
Numărul cuantic azimutal semnifică momentul unghiular al orbitalului atomic al unui electron. Acest număr spune ceva despre forma orbitei unui electron în jurul nucleului. Electronii pot orbita în roiuri mai mult sau mai puțin sferice în jurul nucleului sau pot prezenta un comportament mai complicat. Ideea unui electron ca o particulă solidă care orbitează în jurul nucleului, totuși, nu este corectă. Principiul de incertitudine al mecanicii cuantice afirmă că poziția unui electron este în mod fundamental o chestiune de probabilitate.
Pe baza celorlalte numere cuantice, numărul cuantic magnetic spune ceva despre orientarea orbitalului unui electron în spațiu. Această proprietate a fost descoperită pentru prima dată când oamenii de știință au expus gazele la câmpuri magnetice și apoi au observat modul în care acestea interacționau cu lumina. Numărul cuantic magnetic este, de asemenea, legat de nivelurile de energie ale unui orbital atomic.
În cele din urmă, numărul cuantic de spin specifică una dintre cele două stări de spin ale unui electron. În timp ce numerele cuantice principale și azimutale disting între diferite poziții orbitale ale unui electron, numărul cuantic de spin poate distinge între doi electroni într-o stare cuantică altfel identică. Dacă doi electroni din același atom au aceleași trei numere cuantice anterioare, numerele lor cuantice de spin trebuie să fie diferite. Spinul electronului nu este exact același sens de „spin” la care se crede în mod obișnuit, dar este un grad de libertate pentru un electron. Poate lua una dintre cele două valori posibile: -1/2 sau +1/2.