U prevladavajućem teorijskom modelu atoma postoje četiri kvantna broja koji opisuju ponašanje elektrona. Oni uključuju glavne, azimutalne, magnetske i spin kvantne brojeve. Zajedno, ova četiri broja daju kvantno stanje elektrona. Kvantno stanje je skup matematičkih informacija potrebnih za potpuno opisivanje određenog sustava materije i energije, kao što je atom. Niti jedna dva elektrona ne mogu dijeliti ista četiri kvantna broja, prema Paulijevom principu isključenja kvantne mehanike.
Prvi od kvantnih brojeva naziva se glavni kvantni broj. Ovaj broj, koji može biti bilo koji pozitivan cijeli broj koji počinje s 1, odnosi se na udaljenost orbite elektrona od atomske jezgre. Međutim, za razliku od planetarnih orbita, elektroni ne mogu slobodno kružiti na bilo kojoj udaljenosti. Umjesto toga, oni su ograničeni na orbitu na diskretnim energetskim razinama, ili kvantima – središnji princip kvantne mehanike. Slično planetarnim orbitama, s druge strane, elektroni koji kruže dalje od jezgre posjeduju veću kinetičku energiju.
Azimutalni kvantni broj označava kutni moment atomske orbitale elektrona. Ovaj broj govori nešto o obliku orbite elektrona oko jezgre. Elektroni mogu kružiti u više ili manje sfernim rojevima oko jezgre ili mogu pokazati kompliciranije ponašanje. Ideja o elektronu kao krutoj čestici koja kruži oko jezgre, međutim, nije točna. Načelo nesigurnosti kvantne mehanike kaže da je položaj elektrona u osnovi stvar vjerojatnosti.
Nadovezujući se na druge kvantne brojeve, magnetski kvantni broj govori nešto o orijentaciji orbitale elektrona u prostoru. Ovo svojstvo je prvi put otkriveno kada su znanstvenici izložili plinove magnetskim poljima, a zatim promatrali način na koji su u interakciji sa svjetlom. Magnetski kvantni broj također je povezan s energetskim razinama atomske orbitale.
Konačno, spinski kvantni broj određuje jedno od dva spinska stanja elektrona. Dok glavni i azimutalni kvantni broj razlikuju različite orbitalne položaje elektrona, spinski kvantni broj može razlikovati dva elektrona u inače identičnom kvantnom stanju. Ako dva elektrona u istom atomu imaju ista tri prethodna kvantna broja, njihovi spinski kvantni brojevi moraju biti različiti. Spin elektrona nije potpuno isti osjećaj “spin” o kojem se obično misli, ali to je jedan stupanj slobode za elektron. Može poprimiti jednu od dvije moguće vrijednosti: -1/2 ili +1/2.