Elektronien energiatasoja kuvataan kaaviolla. Kaaviossa elektronin energiatilojen arvot ovat negatiivisia ja kaavio päättyy nollaan. Mitä negatiivisempi elektronin energia on, sitä voimakkaammin se on sitoutunut atomiytimeen. Kun elektronin energia on nolla, elektronilla on riittävästi energiaa irrotakseen atomiytimen vaikutuspiiristä, eli tapahtuu ionisaatio. Elektronit siirtyvät luonnostaan alimmalle mahdolliselle energiatilalle. Alinta energiatilaa kutsutaan perustilaksi, ja sen energiaa merkitään tunnuksella [[$E_1$]]. Perustilaa korkeammat energiatilat ([[$E_2$]], [[$E_3$]], ...) ovat viritystiloja. Oheisessa kuvassa on vedyn energiatasokaavio, jossa elektroni on merkitty perustilaan.

Absorptiossa aineeseen osuu säteilyä, jossa fotonin energia muuntuu elektronin energiaksi ja siirtää sen ylemmälle energiatilalle. Tämä tarkoittaa atomin virittymistä korkeampaan energiatilaan. Aineen läpi kulkeneen säteilyn spektrissä erottuu absorptioviivoja, puuttuvia aallonpituuksia. Absorboituneiden fotonien energiat vastaavat kahden energiatilan välistä energiaeroa, joka virittää atomin. Absorboitumista perustilasta johonkin ylempään energiatilaan [[$n$]] kuvaa yhtälö

[[$\qquad E_1+E_\text{fotoni}=E_n$]],

jossa [[$n$]] on kokonaisluku ja jokin viritystiloista. Atomin energian muutos on siis [[$\Delta E=E_n-E_1$]], joka on absorboituvan fotonin energian suuruinen.

Alla oleva simulaatio mallintaa vetyatomin energiatiloja ja atomiin osuvaa säteilyä. Perustilan energia on noin -13,6 eV. Aallonpituutta säätämällä voit huomata, miten tietyt aallonpituudet saavat aikaan virittymisen ja muut aallonpituudet eivät. Tarpeeksi pienillä aallonpituuksilla fotonin energia ylittää 13,6 eV, mikä saa elektronin irtoamaan atomista, eli atomi ionisoituu.

​

Viritystilat purkautuvat nopeasti takaisin perustilaan. Tällöin vapautuu energiaa, mikä havaitaan emittoituvina fotoneina. Vapautuvan energian suuruus [[$\Delta E$]] ja fotonin aallonpituus riippuvat siitä, millainen muutos elektroniverhossa tapahtuu. Elektroni voi siirtyä viritystilalta johonkin alempaan viritystilaan tai suoraan perustilaan. Emissiospektri sisältää yksittäisiä, toisistaan erillisiä aallonpituuksia eli spektriviivoja. Energian muutosta kuvaa yhtälö

[[$\qquad E_n=E_\text{fotoni}+E_m$]],

missä [[$n$]] on viritystila alussa, ja [[$m$]] on viritystila lopussa (tai perustila, jos [[$m=1$]]). Alla oleva simulaatio mallintaa vetyatomin viritystilojen mahdollisia purkautumisia ja näissä emittoituvia aallonpituuksia.

​

Atomi voi emittoida kaikkia aallonpituuksia, joilla sen virittyminen tapahtuu. Emissiospektrissä havaitaan lisäksi muita aallonpituuksia. Koska viritystilat purkaantuvat nopeasti, on erittäin epätodennäköistä, että valmiiksi viritystilassa oleva elektroni absorboi sopivan fotonin virittyäkseen korkeammalle energiatilalle. Täten nämä viivat eivät käytännössä erotu absorptiospektrissä. Emissiospektrissä on siten enemmän spektriviivoja kuin absorptiospektrissä.