Atomin vallitsevassa teoreettisessa mallissa on neljä kvanttilukua, jotka kuvaavat elektronien käyttäytymistä. Näitä ovat pää-, atsimuuta-, magneettiset ja spin -kvanttiluvut. Yhdessä nämä neljä numeroa antavat elektronin kvanttitilan. Kvanttitila on joukko matemaattisia tietoja, joita tarvitaan tietyn aine- ja energiajärjestelmän, kuten atomin, täydelliseen kuvaamiseen. Kaksi elektronia ei voi jakaa samaa neljää kvanttilukua kvanttimekaniikan Paulin poissulkemisperiaatteen mukaisesti.
Ensimmäistä kvanttiluvusta kutsutaan pääkvanttiluvuksi. Tämä luku, joka voi olla mikä tahansa positiivinen kokonaisluku, joka alkaa yhdellä, viittaa elektronin kiertoradan etäisyyteen atomin ytimestä. Toisin kuin planeettojen kiertoradat, elektronit eivät kuitenkaan voi kiertää vapaasti millään etäisyydellä. Pikemminkin ne rajoittuvat kiertoradalle erillisillä energiatasoilla tai kvanteilla – kvanttimekaniikan keskeisellä periaatteella. Samoin kuin planeettojen kiertoradat, toisaalta ytimestä kauemmas kiertävillä elektroneilla on suurempi kineettinen energia.
Atsimuutti kvanttiluku merkitsee elektronin atomiradan kulmamomenttia. Tämä luku kertoo jotain elektronin kiertoradan muodosta ytimen ympärillä. Elektronit voivat kiertää enemmän tai vähemmän pallomaisia parvia ytimen ympärillä tai ne voivat käyttäytyä monimutkaisemmin. Ajatus elektronista kiinteänä hiukkasena, joka kiertää ydintä, ei kuitenkaan ole oikea. Kvanttimekaniikan epävarmuusperiaate sanoo, että elektronin sijainti on pohjimmiltaan todennäköisyyskysymys.
Muiden kvanttilukujen perusteella magneettinen kvanttiluku kertoo jotain elektronin kiertoradan suunnasta avaruudessa. Tämä ominaisuus löydettiin ensin, kun tutkijat altistivat kaasut magneettikentille ja havaitsivat sitten tavan, jolla ne ovat vuorovaikutuksessa valon kanssa. Magneettinen kvanttiluku liittyy myös atomikiertoradan energiatasoihin.
Lopuksi spin -kvanttiluku määrittää yhden elektronin kahdesta spin -tilasta. Vaikka pää- ja atsimutaalikvanttiluvut erottavat elektronin eri kiertoradan sijainnit, spin -kvanttiluku voi erottaa kaksi elektronia toisessa identtisessä kvanttitilassa. Jos samassa atomissa kahdella elektronilla on samat kolme edellistä kvanttilukua, niiden spin -kvanttilukujen on oltava erilaiset. Elektronin spin ei ole täsmälleen sama “spin” -taju, jota yleisesti ajatellaan, mutta se on yksi vapausaste elektronille. Se voi ottaa yhden kahdesta mahdollisesta arvosta: -1/2 tai +1/2.