Wielkości fizyczne służące do opisu zjawisk zachodzących w atomach nie zmieniają się w sposób ciągły, lecz mogą przyjmować jedynie ściśle określone wartości zmieniające się w sposób skokowy. Dlatego mówimy, że zjawiska fizyczne mikroświata mają charakter kwantowy, a dziedzina fizyki służąca do ich opisu nazwana została mechaniką kwantową. Mechanika kwantowa w opisie atomów uwzględnia falowy charakter elektronów i do ich opisu posługuje się funkcjami falowymi. Podstawowym równaniem służącym do wyznaczenia funkcji falowej dla odpowiednich warunków jest równanie Schrödingera.
Zgodnie ze współczesną mechaniką kwantową nie da się ściśle określić toru elektronu wokół jądra, możemy jedynie wyznaczyć z określonym prawdopodobieństwem obszary przebywania elektronu. Dlatego mówimy o tzw. chmurach elektronowych posiadających różne kształty, które nazywamy także orbitalami.
Do opisu elektronów w atomach posługujemy się liczbami kwantowymi, które charakteryzują skwantowane wielkości fizyczne związane ze stanem, w którym znajduje się dany elektron. Wyróżniamy następujące liczby kwantowe:
- główna liczba kwantowa n = 1, 2, 3, ... określa całkowitą energie elektronu oraz rozmiar orbitala, a także numeruje powłoki,
- poboczna liczba kwantowa l = 0, 1, 2, ... , (n-1) określa wartość orbitalnego momentu pędu elektronu oraz kształt orbitala, a także numeruje podpowłoki,
- magnetyczne liczba kwantowa m = -l, ... , 0, ... , l) określa składową z-ową orbitalnego momentu pędu elektronu oraz orientację przestrzenną orbitala,
- spinowa liczba kwantowa ms = –1/2, 1/2 określa składową z-ową wewnętrznego momentu pędu.