Коли електрон знаходиться у зв'язаному стані в атомі, він володіє потенційною енергією, яка обернено пропорційна його віддалі від ядра. Ця енергія зазвичай вимірюється в електронвольт (еВ) і дорівнює енергії, яку треба передати електрону, щоб зробити його вільним (відірвати від атома). Згідно квантовомеханічною моделі атома пов'язаний електрон може займати тільки дискретний набір дозволених енергетичних рівнів - станів з певною енергією. Найнижча з дозволених енергетичних станів називається основним, а всі інші - збудженими.
Для переходу електрона з одного енергетичного рівня на інший потрібно передати йому або відняти у нього енергію. Це відбувається шляхом відповідно поглинання або випускання фотона, причому енергія цього фотона дорівнює абсолютній величині різниці енергій початкового і кінцевого рівнів електрона. Енергія випущеного фотона пропорційна його частоті, тому переходи між різними енергетичними рівнями проявляються в різних областях електромагнітного спектра. [37] Кожен елемент має унікальний спектр випускання, який залежить від заряду ядра, заповнення електронних подоболочек, взаємодії електронів, а також інших факторів.