Une ligne spectrale est une ligne sombre ou brillante dans un spectre autrement uniforme et continu, résultant d’un excès ou d’une déficience de photons dans une gamme de fréquences étroite, par rapport aux fréquences voisines.
Les lignes spectrales sont le résultat de l’interaction entre un système quantique (généralement des atomes, mais parfois des molécules ou des noyaux atomiques) et des photons uniques. Lorsqu’un photon possède exactement la bonne énergie pour permettre un changement d’état énergétique du système (dans le cas d’un atome, il s’agit généralement d’un électron qui change d’orbite), le photon est absorbé. Il sera ensuite spontanément réémis, soit à la même fréquence que l’original, soit en cascade, où la somme des énergies des photons émis sera égale à l’énergie de celui qui a été absorbé. La direction des nouveaux photons ne sera pas liée à la direction de déplacement du photon original.
Selon la géométrie du gaz, de la source de photons et de l’observateur, il se produira soit une ligne d’émission, soit une ligne d’absorption. Si le gaz se trouve entre la source de photons et l’observateur, on observera une diminution de l’intensité de la lumière à la fréquence du photon incident, car les photons réémis seront pour la plupart dans des directions différentes de celle d’origine. Il s’agira d’une ligne d’absorption. Si l’observateur voit le gaz, mais pas la source de photons d’origine, alors il ne verra que les photons réémis dans une gamme de fréquences étroite. Il s’agira d’une raie d’émission.
Les raies d’absorption et d’émission sont très spécifiques aux atomes, et peuvent être utilisées pour identifier facilement la composition chimique de tout milieu capable de laisser passer la lumière (on utilise généralement un gaz). Plusieurs éléments ont été découverts par des moyens spectroscopiques — hélium, thallium, cérium, etc. Les raies spectrales dépendent également des conditions physiques du gaz, elles sont donc largement utilisées pour déterminer la composition chimique des étoiles et d’autres corps célestes qui ne peuvent être analysés par d’autres moyens, ainsi que leurs conditions physiques telles que la température.
Le décalage isomérique est le déplacement d’une raie d’absorption dû au fait que les noyaux absorbants ont des densités d’électrons s différentes de celle des noyaux émetteurs.
Des mécanismes autres que l’interaction atome-photon peuvent produire des raies spectrales. Selon l’interaction physique exacte (avec des molécules, des particules uniques, etc.), la fréquence des photons impliqués variera largement, et des raies peuvent être observées sur tout le spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons gamma.
Les astronomes peuvent utiliser la lumière d’une étoile filtrée par l’atmosphère d’une planète pour en déduire la composition chimique de la planète et déterminer si les conditions de vie y sont possibles.