Absorpsjons- og emisjonslinjer oppstår når hydrogenatomet endrer energitilstand. Energitilstandene er kvantifiert og forskjellen mellom to tilstander vil tilsvare energien for den elektromagnetiske stråling som absorberes eller sendes ut. Nøytralt hydrogen består av et proton og et elektron. En av kvantetilstandene for disse partiklene er spinn, et indre angulært moment, som antar verdien -1/2 eller +1/2. På grunn av magnetisk vekselvirkning mellom protonet og elektronet vil energitilstanden for atomet være noe lavere dersom spinnene er motrettet en hvis de er likerettet, såkalt hyperfin struktur. Denne energiforskjellen er omkring 5,87•10 eV, og gir opphav til hydrogenlinjen når et elektron eller proton skifter spinn. Energien er i området en milliondel av den energien som opptrer ved sprang i orbital (ioniseringsenergien for hydrogen er 13.6 eV). Disse kvantesprangene gir opphav til fotoner i og omkring det synlige spekteret.