Una linea spettrale è una linea scura o luminosa in uno spettro altrimenti uniforme e continuo, risultante da un eccesso o una carenza di fotoni in una stretta gamma di frequenze, rispetto alle frequenze vicine.
Le linee spettrali sono il risultato dell’interazione tra un sistema quantistico (di solito atomi, ma a volte molecole o nuclei atomici) e singoli fotoni. Quando un fotone ha esattamente l’energia giusta per permettere un cambiamento nello stato energetico del sistema (nel caso di un atomo questo è di solito un elettrone che cambia orbitale), il fotone viene assorbito. Poi verrà spontaneamente riemesso, o nella stessa frequenza dell’originale o in una cascata, dove la somma delle energie dei fotoni emessi sarà uguale all’energia di quello assorbito. La direzione dei nuovi fotoni non sarà legata alla direzione di marcia del fotone originale.
A seconda della geometria del gas, della sorgente di fotoni e dell’osservatore, si produrrà o una linea di emissione o una linea di assorbimento. Se il gas si trova tra la sorgente di fotoni e l’osservatore, si vedrà una diminuzione dell’intensità della luce nella frequenza del fotone incidente, poiché i fotoni riemessi saranno per lo più in direzioni diverse da quella originale. Questa sarà una linea di assorbimento. Se l’osservatore vede il gas, ma non la sorgente originale di fotoni, allora l’osservatore vedrà solo i fotoni riemessi in una stretta gamma di frequenza. Questa sarà una linea di emissione.
Le linee di assorbimento e di emissione sono altamente atomo-specifiche, e possono essere usate per identificare facilmente la composizione chimica di qualsiasi mezzo capace di lasciar passare la luce attraverso di esso (tipicamente si usa il gas). Diversi elementi sono stati scoperti per via spettroscopica: elio, tallio, cerio, ecc. Le linee spettrali dipendono anche dalle condizioni fisiche del gas, quindi sono ampiamente utilizzate per determinare la composizione chimica delle stelle e di altri corpi celesti che non possono essere analizzati con altri mezzi, così come le loro condizioni fisiche come la temperatura.
Lo spostamento dell’isomero è lo spostamento di una linea di assorbimento dovuto ai nuclei assorbenti che hanno densità di elettroni s diverse da quelle dei nuclei emettitori.
Meccanismi diversi dall’interazione atomo-fotone possono produrre linee spettrali. A seconda dell’esatta interazione fisica (con molecole, singole particelle, ecc.) la frequenza dei fotoni coinvolti varia ampiamente, e le linee possono essere osservate in tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma.
Gli astronomi possono usare la luce di una stella filtrata attraverso l’atmosfera di un pianeta per dedurre la composizione chimica del pianeta per determinare se sono possibili condizioni di vita.