Vetyatomin ytimessä on yksi protoni ja ytimeen on sitoutunut yksi elektroni. Kun hiukkasia on vain kaksi, tilanne on yksinkertainen ja elektronin mahdolliset energiatilat saadaan ratkaistua Schrödingerin yhtälöstä. Muilla alkuaineilla on enemmän elektroneja, jolloin keskenään vuorovaikuttavia hiukkasia on kolme tai enemmän: ydin ja vähintään kaksi elektronia. Useamman varauksen vuorovaikutusta on hankalampi mallintaa, koska elektroniverhon elektronit vuorovaikuttavat myös keskenään. Schrödingerin yhtälöstä tulee monimutkainen, eikä sitä pystytä ratkaisemaan tarkasti. Atomien perustilojen energiat ovat kuitenkin mitattavissa ja muille tiloille voidaan ratkaista approksimaatiot.

Monielektroniatomeja tarkastellaan samalla tavalla kuin vetyatomia, vaikka monielektroniatomien energiatiloille ei ole yksinkertaista laskukaavaa. Atomi absorboi fotoneja, joiden energia [[$E_\text{fotoni}$]] on yhtä suuri kuin perustilan ja viritystilan välinen energiaero [[$\Delta E$]]. Atomi emittoi fotoneja, joiden energia on yhtä suuri kuin energiaero joltakin viritystilalta alemmalle viritystilalle tai perustilalle. Energiaero ja fotonin aallonpituus kytkeytyvät siis toisiinsa seuraavalla kaavalla.

[[$ \quad \Delta E=\dfrac{hc}{\lambda_\text{fotoni}}$]]

Tarkastelemalla aineen emissio- ja absorptiospektrejä voidaan laskea siirtymien energiat ja siten päätellä mahdolliset energiatilat. Niitä voidaan sitten vertailla erilaisiin Schrödingerin yhtälön approksimaatioihin. Mahdolliset energiatilat on kirjattu taulukoihin. Monipuolinen ja ilmainen lähde on esimerkiksi NIST (National Institute of Standards and Technology).

Taulukoita alkuaineiden ominaisuuksista, mm. energiatilat (NIST eng.)

Atomin monimutkaistuessa energiatilojen lukumäärä lisääntyy. Vaihtoehtoisia siirtymiä tilalta toiselle on enemmän ja spektriviivoja nähdään useampia kuin vedyllä. Alla on osa heliumin emissiospektriä:

Heliumin emissiospektrin kirkkaimman kellertävän viivan aallonpituus on noin 590 nm. Tämän perusteella tiedetään, että spektriviivan synnyttäneiden energiatilojen välinen energiaero on ollut

[[$ \quad \Delta E=E_\text{fotoni} \\ \quad E_{\text{fotoni}}=\dfrac{hc}{\lambda} \\ \quad E_{\text{fotoni}}=\dfrac{4,136\cdot 10^{-15} \textrm{ eVs}\cdot 2,998\cdot 10^8 \textrm{ m/s}}{590 \cdot 10^{-9} \textrm{ m}}\approx 2,1 \textrm{ eV} $]]​

Ohessa on heliumin energiatasokaavio, jossa on joitakin heliumin energiatiloja. Keltaista valoa vastannut energia 2,1 eV on siirtymä kolmannelta viritystilalta ensimmäiselle viritystilalle. Siirtymä on merkitty kuvaan.

Heliumin perustilan ja viritystilojen välillä on suuri energia. Kun helium siirtyy perustilaan, emittoituu UV-säteilyä. Näkyvää valoa emittoituu viritystilan purkautuessa alempaan viritystilaan ennen lopullista purkautumista perustilaan.