Nel modello teorico prevalente dell’atomo, ci sono quattro numeri quantici che descrivono il comportamento degli elettroni. Questi includono i numeri quantici principali, azimutali, magnetici e di spin. Insieme, questi quattro numeri danno lo stato quantistico di un elettrone. Uno stato quantistico è l’insieme di informazioni matematiche necessarie per descrivere completamente un certo sistema di materia ed energia, come un atomo. Non esistono due elettroni che possono condividere gli stessi quattro numeri quantici, secondo il principio di esclusione di Pauli della meccanica quantistica.
Il primo dei numeri quantici è detto numero quantico principale. Questo numero, che può essere qualsiasi numero intero positivo che inizia con 1, si riferisce alla distanza dell’orbita di un elettrone dal nucleo atomico. A differenza delle orbite planetarie, tuttavia, gli elettroni non sono liberi di orbitare a qualsiasi distanza. Piuttosto, sono confinati in orbita a livelli energetici discreti, o quanti, un principio centrale della meccanica quantistica. Analogamente alle orbite planetarie, d’altra parte, gli elettroni che orbitano più lontano dal nucleo possiedono un’energia cinetica maggiore.
Il numero quantico azimutale indica il momento angolare dell’orbitale atomico di un elettrone. Questo numero dice qualcosa sulla forma dell’orbita di un elettrone attorno al nucleo. Gli elettroni possono orbitare in sciami più o meno sferici attorno al nucleo, oppure possono esibire un comportamento più complicato. L’idea di un elettrone come una particella solida che orbita attorno al nucleo, tuttavia, non è corretta. Il principio di indeterminazione della meccanica quantistica afferma che la posizione di un elettrone è fondamentalmente una questione di probabilità.
Basandosi sugli altri numeri quantici, il numero quantico magnetico dice qualcosa sull’orientamento dell’orbitale di un elettrone nello spazio. Questa proprietà è stata scoperta per la prima volta quando gli scienziati hanno esposto i gas a campi magnetici e poi hanno osservato il modo in cui interagivano con la luce. Il numero quantico magnetico è anche correlato ai livelli di energia di un orbitale atomico.
Infine, il numero quantico di spin specifica uno dei due stati di spin di un elettrone. Mentre i numeri quantici principale e azimutale distinguono tra diverse posizioni orbitali di un elettrone, il numero quantico di spin può distinguere tra due elettroni in uno stato quantico altrimenti identico. Se due elettroni nello stesso atomo hanno gli stessi tre numeri quantici precedenti, i loro numeri quantici di spin devono essere diversi. Lo spin dell’elettrone non è esattamente lo stesso senso di “spin” a cui si pensa comunemente, ma è un grado di libertà per un elettrone. Può assumere uno dei due possibili valori: -1/2 o +1/2.