Dalam model teori atom yang berlaku, ada empat bilangan kuantum yang menggambarkan perilaku elektron. Ini termasuk bilangan kuantum utama, azimut, magnetik dan spin. Bersama-sama, keempat bilangan ini memberikan keadaan kuantum elektron. Keadaan kuantum adalah kumpulan informasi matematika yang diperlukan untuk sepenuhnya menggambarkan sistem materi dan energi tertentu, seperti atom. Tidak ada dua elektron yang dapat berbagi empat bilangan kuantum yang sama, menurut prinsip pengecualian Pauli dari mekanika kuantum.
Bilangan kuantum pertama disebut bilangan kuantum utama. Angka ini, yang dapat berupa bilangan bulat positif apa pun yang dimulai dengan 1, mengacu pada jarak orbit elektron dari inti atom. Tidak seperti orbit planet, elektron tidak bebas mengorbit pada jarak berapa pun. Sebaliknya, mereka terbatas pada orbit pada tingkat energi diskrit, atau kuanta—prinsip utama mekanika kuantum. Mirip dengan orbit planet, di sisi lain, elektron yang mengorbit lebih jauh dari nukleus memiliki energi kinetik yang lebih tinggi.
Bilangan kuantum azimut menandakan momentum sudut orbital atom elektron. Angka ini menceritakan sesuatu tentang bentuk orbit elektron di sekitar nukleus. Elektron dapat mengorbit dalam kawanan bola yang kurang lebih di sekitar nukleus, atau mereka dapat menunjukkan perilaku yang lebih rumit. Ide elektron sebagai partikel padat yang mengorbit nukleus, bagaimanapun, tidak benar. Prinsip ketidakpastian mekanika kuantum menyatakan bahwa posisi elektron pada dasarnya adalah masalah probabilitas.
Berdasarkan bilangan kuantum lain, bilangan kuantum magnetik menceritakan sesuatu tentang orientasi orbital elektron di ruang angkasa. Properti ini pertama kali ditemukan ketika para ilmuwan memaparkan gas ke medan magnet dan kemudian mengamati cara mereka berinteraksi dengan cahaya. Bilangan kuantum magnetik juga terkait dengan tingkat energi orbital atom.
Akhirnya, bilangan kuantum spin menentukan salah satu dari dua keadaan spin elektron. Bila bilangan kuantum utama dan azimut membedakan antara posisi orbital elektron yang berbeda, bilangan kuantum spin dapat membedakan antara dua elektron dalam keadaan kuantum yang identik. Jika dua elektron dalam atom yang sama memiliki tiga bilangan kuantum sebelumnya yang sama, bilangan kuantum spinnya harus berbeda. Putaran elektron tidak persis sama dengan pengertian “putaran” yang umumnya dipikirkan, tetapi ini adalah satu derajat kebebasan untuk sebuah elektron. Itu dapat mengambil salah satu dari dua nilai yang mungkin: -1/2 atau +1/2.