Im vorherrschenden theoretischen Modell des Atoms gibt es vier Quantenzahlen, die das Verhalten von Elektronen beschreiben. Dazu gehören die Haupt-, Azimut-, Magnet- und Spinquantenzahlen. Zusammen ergeben diese vier Zahlen den Quantenzustand eines Elektrons. Ein Quantenzustand ist der Satz mathematischer Informationen, die erforderlich sind, um ein bestimmtes System aus Materie und Energie, wie beispielsweise ein Atom, vollständig zu beschreiben. Gemäß dem Pauli-Ausschlussprinzip der Quantenmechanik können sich keine zwei Elektronen die gleichen vier Quantenzahlen teilen.
Die erste der Quantenzahlen heißt Hauptquantenzahl. Diese Zahl, die eine beliebige positive ganze Zahl sein kann, die mit 1 beginnt, bezieht sich auf den Abstand der Bahn eines Elektrons vom Atomkern. Im Gegensatz zu Planetenbahnen können Elektronen jedoch nicht in jeder Entfernung frei umkreisen. Sie sind vielmehr auf eine Umlaufbahn auf diskreten Energieniveaus oder Quanten beschränkt – ein zentraler Grundsatz der Quantenmechanik. Andererseits besitzen Elektronen, die weiter vom Kern entfernt kreisen, ähnlich wie Planetenbahnen eine höhere kinetische Energie.
Die azimutale Quantenzahl bezeichnet den Drehimpuls der Atombahn eines Elektrons. Diese Zahl sagt etwas über die Form der Bahn eines Elektrons um den Kern aus. Elektronen können in mehr oder weniger kugelförmigen Schwärmen um den Kern kreisen oder ein komplizierteres Verhalten zeigen. Die Vorstellung, dass ein Elektron als festes Teilchen den Kern umkreist, ist jedoch nicht richtig. Die Unschärferelation der Quantenmechanik besagt, dass die Position eines Elektrons grundsätzlich eine Frage der Wahrscheinlichkeit ist.
Aufbauend auf den anderen Quantenzahlen sagt die magnetische Quantenzahl etwas über die Orientierung des Orbitals eines Elektrons im Raum aus. Diese Eigenschaft wurde erstmals entdeckt, als Wissenschaftler Gase Magnetfeldern aussetzten und dann beobachteten, wie sie mit Licht wechselwirkten. Die magnetische Quantenzahl hängt auch mit den Energieniveaus eines Atomorbitals zusammen.
Schließlich gibt die Spinquantenzahl einen von zwei Spinzuständen eines Elektrons an. Während die Haupt- und die azimutale Quantenzahl zwischen verschiedenen Bahnpositionen eines Elektrons unterscheiden, kann die Spinquantenzahl zwischen zwei Elektronen in einem ansonsten identischen Quantenzustand unterscheiden. Wenn zwei Elektronen im selben Atom die gleichen drei vorherigen Quantenzahlen haben, müssen ihre Spinquantenzahlen unterschiedlich sein. Der Elektronenspin ist nicht genau der gleiche Sinn für „Spin“, der allgemein angenommen wird, aber er ist ein Freiheitsgrad für ein Elektron. Es kann einen von zwei möglichen Werten annehmen: -1/2 oder +1/2.