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Un atome dans un état excité finit par revenir à son état normal. L'électron chute alors sur un niveau inférieur d'énergie. En perdant de l'énergie, l'électron émet un photon. Un atome ionisé finit par capturer un électron libre. Cet électron perd de l'énergie et il émet un photon.
Dans les deux cas, l'énergie du photon est égale à celle qu'a perdue l'électron. La fréquence, et donc la couleur, de la lumière émise est directement proportionnelle à cette énergie. Les quatre transitions possibles pour l'hydrogène dans le domaine de la lumière visible sont illustrées sur la figure à droite.