Widmo emisyjne atomu wodoru

W stanie naturalnym, w temperaturach pokojowych, większość atomów znajduje się w stanie podstawowym (elektron jest wtedy na pierwszej orbicie, n=1). Przejście elektronu na orbitę wyższą energetycznie (n=2,3,4,…), czyli wzbudzenie atomu, może nastąpić za pomocą wysokiej temperatury, wysokiego napięcia lub podczas zderzeń z innymi atomami.
Czas przebywania różnych atomów w stanie wzbudzonym jest różny. Są pierwiastki posiadające poziomy tzw. metatrwałe (metastabilne), na których elektrony przebywają praktycznie dowolnie długo. Średni czas życia atomu w stanie wzbudzonym jest około Po tym czasie elektrony samorzutnie przeskakują na niższe poziomy energetyczne. Zachodzi wtedy emisja spontaniczna promieniowania elektromagnetycznego. Emitowane fotony niosą kwanty energii o takiej wartości, jakie odpowiadają kolejnym przejściom. Np. przejście z poziomu trzeciego może odbyć się bezpośrednio na pierwszy, ale również na drugi i z drugiego na pierwszy. Pewna część tego promieniowania u wszystkich atomów leży w zakresie widzialnym. Np. neon świeci czerwonym kolorem, atrakcyjnym dla oczu. Zostało to wykorzystane w "neonach", czyli szklanych rurach wypełnionych tym gazem. Jest on pobudzany do świecenia za pomocą wysokiego napięcia.

We wzbudzonym atomie wodoru, po średnim czasie życia w stanie wzbudzonym, elektrony z poziomów wyższych "spadają" na niższe. Przejścia ze wszystkich poziomów wyższych na poziom pierwszy to seria Lymanna leżąca w zakresie ultrafioletu. Przejścia ze wszystkich poziomów wyższych na poziom drugi to seria Balmera leżąca w zakresie widzialnym. Kolejne to serie Paschena, Bracketa, Pfunda i Humpreysa leżące w podczerwieni.

Swobodne atomy wszystkich pierwiastków mają widma liniowe. Światło wysyłane przez wzbudzone atomy jest przez nasz wzrok widziane jako światło o barwie wypadkowej. Takie światło po rozszczepieniu w pryzmacie składa się z szeregu świecących, barwnych linii odpowiadających przejściom elektronów między poszczególnymi poziomami energetycznymi. Jeśli liczba linii jest coraz to większa, a w przypadku żarówki z żarnikiem wolframowym lub światła słonecznego liczba linii jest ak duża, że zlewają się one dając widmo ciągłe. Takie światło dla naszego wzroku jest białe. Przykłady emisyjnych widm liniowych i widma ciągłego przedstawia rysunek poniżej. Widma liniowe wszystkich pierwiastków można obejrzeć instalując na swoim komputerze program Mikołaja Pytla Spektruś.
Gdy promieniowanie o widmie ciągłym przechodzi przez pary lub gazy, wtedy część tego promieniowania wzbudza napotkane atomy i w dalej biegnącym promieniowaniu brak jest fotonów, które dokonały wzbudzenia. Po rozszczepieniu takiego promieniowania przez pryzmat otrzymujemy widmo ciągłe z szeregiem ciemnych linii. tzw. widmo absorbcyjne. Jest ono odwróceniem widma emisyjnego. Nie ma dwóch takich samych linii u różnych pierwiastków. Z tego powodu analiza widm gwiazd lub galaktyk daje informacje o ich składzie jakościowym. Przykładem tego jest widmo Słońca. Na tle widma ciągłego występują linie absorbcyjne, zwane liniami Fraunhofera (niemiecki fizyk Joseph von Fraunhofer, 1787-1826). Linie te powstały w zewnętrznych warstwach Słońca (z wnętrza wydostaje się widmo ciągłe) oraz w atmosferze ziemskiej (patrz poniżej). Z analizy natężenia linii widmowych, astrofizycy potrafią określić skład ilościowy danego pierwiastka w gwieździe lub galaktyce. Zajmuje się tym spektroskopia gwiezdna i galaktyczna.