Không thể sử dụng vị trí và động năng để mô tả chuyển động của các electron xung quanh hạt nhân bởi chúng mang bản chất cơ học lượng tử. Thay vào đó chúng được mô tả bằng một nhóm các số lượng tử trong đó bảo gồm cả tính chất sóng và tính chất hạt của electron.

Mỗi orbital nguyên tử được xác định bởi một và chỉ một bộ ba giá trị của ba số lượng tử. Mỗi bộ ba giá trị này xác định một và chỉ một orbital, nhưng các số lượng tử chỉ xuất hiện theo các bộ giá trị nhất định. Các số lượng tử tuân theo các quy luật sau đây:

Số lượng tử chính n xác định năng lượng của electron và luôn là một số nguyên dương. n có thể là bất cứ số nguyên dương nào, nhưng những số lớn rất hiếm bắt gặp vì những lý do được trình bày bên dưới. Nói chung trong một nguyên tử, mỗi giá trị của n ứng với nhiều orbital. Những orbital này được gọi chung là các lớp vỏ electron.

Số lượng tử xung lượng l xác định moment góc của mỗi electron trong một orbital và luôn là một số nguyên không âm. Trong một lớp vỏ electron nào đó (n = n0), l có thể lấy bất cứ giá trị nguyên nào thỏa mãn 0 <= l <= n0 - 1. Ví dụ, lớp vỏ n = 1 chỉ có duy nhất một orbital với l = 0. Lơp vỏ n = 2 chỉ có hai orbital với l = 0 và l = 1. Nhóm các orbital có cùng giá trị của l được gọi chung là các lớp vỏ electron thứ cấp.