Quando um átomo absorve energia, os elétrons ficam excitados e passam para um nível de energia mais elevado. Como os elétrons relaxam até um estado de energia mais baixa ou até ao estado do solo, o excesso de energia seja libertado como um fotão. O comprimento de onda da luz absorvida e emitida depende da diferença entre os níveis de energia elevada energia baixa.

A luz de energia elevada emitida resulta dos elétrons a relaxar a partir de um nível de energia mais elevado, e a luz de baixa energia emitida resulta do relaxamento dos elétrons de um nível de energia mais baixo. Um espectro de emissão é uma medida da radiação emitida através de uma gama de comprimentos de onda. Com espécies elementares puras, o comportamento das emissões aparecem como linhas de comprimentos de onda específicos em vez de um largo espectro.

Este é o espectro das emissões de hidrogênio. O conjunto de linhas espectrais na região da luz visível é conhecida como a série Balder. Ocorre quando a transição dos elétrons a partir de um nível de energia superior a n 3 de volta a n 2.

O espectro de luz visível aparece como linhas espectrais a 410, 434, 486 e 656 nm, que correspondem a transições de nível de energia de n 3, 4, 5, e 6, respetivamente até n 2. Podem ser medidas linhas espectrais adicionais fora do alcance visível, como a série Lyman na região UV e a série Paschen na região do infravermelho. Os comprimentos de onda das linhas espectrais para o hidrogênio podem ser previstos utilizando uma expressão matemática, onde R-H é a constante de Rydberg, n1 é o número quântico principal do nível de energia inferior, e n2 é o número quântico principal para o nível de energia mais elevado.

Para a série Balmer, n1 2. Uma vez que átomos diferentes têm níveis de energia diferentes, as linhas de emissão espectral variam de elemento para elemento e são utilizadas para identificar substâncias. O inverso de um espectro de emissões é o seu espectro de absorção.

Olhando para o hidrogênio, as linhas no seu espectro de absorção estão localizadas nos mesmos comprimentos de onda da sua emissão mas são escuras. Estes são os comprimentos de onda de luz que são absorvidos por um átomo de hidrogênio quando é exposto ao espectro de uma luz branca contínua.