Dans le modèle théorique dominant de l’atome, il existe quatre nombres quantiques qui décrivent le comportement des électrons. Ceux-ci incluent les nombres quantiques principaux, azimutaux, magnétiques et de spin. Ensemble, ces quatre nombres donnent l’état quantique d’un électron. Un état quantique est l’ensemble des informations mathématiques nécessaires pour décrire complètement un certain système de matière et d’énergie, tel qu’un atome. Aucun électron ne peut partager les quatre mêmes nombres quantiques, selon le principe d’exclusion de Pauli de la mécanique quantique.
Le premier des nombres quantiques est appelé nombre quantique principal. Ce nombre, qui peut être n’importe quel entier positif commençant par 1, fait référence à la distance de l’orbite d’un électron au noyau atomique. Contrairement aux orbites planétaires, cependant, les électrons ne sont pas libres d’orbiter à n’importe quelle distance. Au contraire, ils sont confinés en orbite à des niveaux d’énergie discrets, ou quanta, un principe central de la mécanique quantique. Semblable aux orbites planétaires, d’autre part, les électrons en orbite plus éloignée du noyau possèdent une énergie cinétique plus élevée.
Le nombre quantique azimutal signifie le moment angulaire de l’orbitale atomique d’un électron. Ce nombre en dit long sur la forme de l’orbite d’un électron autour du noyau. Les électrons peuvent orbiter en essaims plus ou moins sphériques autour du noyau, ou ils peuvent présenter un comportement plus compliqué. L’idée d’un électron comme une particule solide en orbite autour du noyau, cependant, n’est pas correcte. Le principe d’incertitude de la mécanique quantique stipule que la position d’un électron est fondamentalement une question de probabilité.
S’appuyant sur les autres nombres quantiques, le nombre quantique magnétique renseigne sur l’orientation de l’orbite d’un électron dans l’espace. Cette propriété a été découverte pour la première fois lorsque les scientifiques ont exposé des gaz à des champs magnétiques, puis observé la façon dont ils interagissaient avec la lumière. Le nombre quantique magnétique est également lié aux niveaux d’énergie d’une orbitale atomique.
Enfin, le nombre quantique de spin spécifie l’un des deux états de spin d’un électron. Alors que les nombres quantiques principal et azimutal distinguent les différentes positions orbitales d’un électron, le nombre quantique de spin peut distinguer deux électrons dans un état quantique par ailleurs identique. Si deux électrons dans le même atome ont les trois mêmes nombres quantiques précédents, leurs nombres quantiques de spin doivent être différents. Le spin de l’électron n’est pas exactement le même sens de spin auquel on pense généralement, mais c’est un degré de liberté pour un électron. Il peut prendre l’une des deux valeurs possibles : -1/2 ou +1/2.