V prevladujočem teoretičnem modelu atoma obstajajo štiri kvantna števila, ki opisujejo obnašanje elektronov. Sem spadajo glavna, azimutna, magnetna in spinska kvantna števila. Ta štiri števila skupaj dajejo kvantno stanje elektrona. Kvantno stanje je niz matematičnih informacij, potrebnih za popoln opis določenega sistema snovi in energije, kot je atom. Noben dva elektrona ne moreta deliti istih štirih kvantnih števil v skladu s Paulijevim načelom izključitve kvantne mehanike.
Prvo od kvantnih števil se imenuje glavno kvantno število. To število, ki je lahko katero koli pozitivno celo število, ki se začne z 1, se nanaša na oddaljenost orbite elektrona od atomskega jedra. Za razliko od planetarnih orbit pa elektroni ne morejo prosto krožiti na kateri koli razdalji. Namesto tega so omejeni na orbito na diskretnih energetskih ravneh ali kvantih – osrednje načelo kvantne mehanike. Po drugi strani imajo elektroni, ki krožijo dlje od jedra, podobno kot planetarne orbite, višjo kinetično energijo.
Azimutno kvantno število označuje kotni moment atomske orbitale elektrona. Ta številka pove nekaj o obliki kroženja elektrona okoli jedra. Elektroni lahko krožijo v bolj ali manj sferičnih rojih okoli jedra ali pa imajo bolj zapleteno vedenje. Zamisel o elektronu kot trdnem delcu, ki kroži okoli jedra, pa ni pravilna. Načelo negotovosti kvantne mehanike pravi, da je položaj elektrona v osnovi stvar verjetnosti.
Na podlagi drugih kvantnih številk magnetno kvantno število pove nekaj o orientaciji orbitale elektrona v prostoru. To lastnost so prvič odkrili, ko so znanstveniki izpostavili pline magnetnim poljem in nato opazovali način njihove interakcije s svetlobo. Magnetno kvantno število je povezano tudi z energijskimi ravnmi atomske orbitale.
Nazadnje spinsko kvantno število določa eno od dveh spinskih stanj elektrona. Medtem ko glavno in azimutno kvantno število razlikujeta med različnimi orbitalnimi položaji elektrona, lahko spinsko kvantno število razlikuje med dvema elektronoma v sicer enakem kvantnem stanju. Če imata dva elektrona v istem atomu enaka tri predhodna kvantna števila, morata biti njuna spinska kvantna števila različna. Spin elektrona ni povsem enak občutek “spin”, kot ga običajno mislijo, vendar je ena stopnja svobode za elektron. Lahko prevzame eno od dveh možnih vrednosti: -1/2 ali +1/2.