Nguyên tử
Tính chất > Mức năng lượng

Các nhà vật lý quy ước thế năng của một electron trong nguyên tử có giá trị âm, và phụ thuộc vào vị trí của nó trong nguyên tử. Nó có giá trị cực tiểu khi nằm ở gần hạt nhân nhất và quy ước bằng 0 khi nó nằm xa vô cùng so với hạt nhân, hay thế năng của nó tỉ lệ nghịch với khoảng cách. Trong mô hình cơ học lượng tử, một electron liên kết chỉ có thể chiếm những trạng thái lượng tử xung quanh hạt nhân, và mỗi trạng thái tương ứng với một mức năng lượng xác định; xem phương trình Schrödinger độc lập thời gian về cách giải thích lý thuyết. Mức năng lượng có thể đo bằng lượng năng lượng cần thiết để bứt electron tại trạng thái đó ra xa vô cùng, và có đơn vị electronvolt (eV). Trạng thái năng lượng thấp nhất của electron liên kết gọi là trạng thái năng lượng nền và khi một electron chuyển dịch sang mức năng lượng cao hơn thì nó ở vào trạng thái kích thích. Năng lượng của electron tăng lên khi số lượng tử chính n tăng bởi vì khoảng cách trung bình đến hạt nhân tăng. Sự phụ thuộc năng lượng vào số lượng tử xung lượng ℓ không phải là do thế năng tĩnh điện với hạt nhân mà là bởi tương tác giữa các electron.
Khi một electron chuyển dịch giữa hai trạng thái năng lượng, nó phải hấp thụ hoặc phát ra một photon có năng lượng bằng hiệu giữa hai trạng thái năng lượng này. Năng lượng của một photon tỷ lệ với tần số của nó, do đó những mức năng lượng xác định này hiện lên thành những dải phân biệt trong phổ điện từ. Mỗi nguyên tố có một phổ đặc trưng phụ thuộc vào điện tích hạt nhân, cấu hình electron, tương tác điện từ giữa các electron và bởi những nhân tố khác.
Khi ánh sáng với phổ năng lượng liên tục truyền qua chất khí hay plasma, một số nguyên tử hấp thụ photon, khiến cho các electron thay đổi mức năng lượng của nó. Những electron kích thích này vẫn liên kết với nguyên tử của nó và tự phát phóng thích năng lượng qua phát ra photon theo hướng ngẫu nhiên, và trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn. Do vậy nguyên tử thể hiện như một máy lọc tạo ra một dãy các vạch tối trong phổ năng lượng phát ra. (Một người quan sát nguyên tử khi chùm sáng chiếu qua chúng sẽ thấy khi lọc bỏ phổ liên tục thu được dãy phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tử.) Đo lường phổ về cường độ và độ rộng của các vạch phổ nguyên tử cho phép các nhà khoa học xác định được thành phần và tính chất vật lý của chất cần nghiên cứu.
Khi nghiên cứu kĩ hơn phổ nguyên tử các nhà vật lý nhận thấy có sự tách vạch trong cấu trúc tế vi. Sự xuất hiện này là do hiệu ứng spin-quỹ đạo tương đối tính, khi tính đến ảnh hưởng giữa chuyển động của electron lớp ngoài cùng với spin của nó. Khi nguyên tử đặt trong từ trường ngoài, các vạch phổ của nó bị tách thành ba hoặc nhiều vạch; hay hiệu ứng Zeeman. Hiệu ứng này là do tương tác của từ trường ngoài với mômen từ của nguyên tử và của electron. Một số nguyên tử có nhiều cấu hình electron với cùng một mức năng lượng, do đó vạch phổ thu được là giống nhau cho những cấu hình này. Khi nguyên tử tương tác với từ trường làm dịch chuyển những cấu hình electron đến một mức năng lượng hơi khác, làm cho xuất hiện nhiều vạch phổ trên quang phổ thu được. Sự có mặt của một điện trường ngoài cũng làm tách và dịch chuyển vạch phổ và thay đổi đáng kể mức năng lượng của electron, hay hiệu ứng Stark.
Nếu electron liên kết trong trạng thái kích thích, một photon tương tác với năng lượng riêng có thể gây ra hiệu ứng phát xạ kích thích cho một photon với năng lượng phù hợp với mức kích thích. Để điều này xảy ra, electron phải trở về trạng thái năng lượng thấp hơn mà có hiệu năng lượng giữa hai trạng thái chuyển dịch bằng với năng lượng của photon tương tác. Photon phát ra và photon tương tác di chuyển song song và có cùng pha với nhau, phản xạ qua lại giữa hai gương. Khi đó, phần sóng của hai photon được đồng bộ hóa. Tính chất vật lý này được ứng dụng để chế tạo các loại laser, một chùm sóng điện từ kết hợp với tần số đồng bộ.