Una línea espectral es una línea oscura o brillante en un espectro por lo demás uniforme y continuo, resultante de un exceso o deficiencia de fotones en un estrecho rango de frecuencias, en comparación con las frecuencias cercanas.
Las líneas espectrales son el resultado de la interacción entre un sistema cuántico (normalmente átomos, pero a veces moléculas o núcleos atómicos) y fotones individuales. Cuando un fotón tiene exactamente la energía adecuada para permitir un cambio en el estado energético del sistema (en el caso de un átomo suele ser un electrón que cambia de orbital), el fotón es absorbido. Entonces será reemitido espontáneamente, ya sea en la misma frecuencia que el original o en cascada, donde la suma de las energías de los fotones emitidos será igual a la energía del absorbido. La dirección de los nuevos fotones no estará relacionada con la dirección del viaje del fotón original.
Dependiendo de la geometría del gas, de la fuente de fotones y del observador, se producirá una línea de emisión o una línea de absorción. Si el gas se encuentra entre la fuente de fotones y el observador, se observará una disminución de la intensidad de la luz en la frecuencia del fotón incidente, ya que los fotones reemitidos estarán en su mayoría en direcciones diferentes a la original. Esto será una línea de absorción. Si el observador ve el gas, pero no la fuente original de fotones, entonces el observador verá sólo los fotones reemitidos en un estrecho rango de frecuencia. Esto será una línea de emisión.
Las líneas de absorción y emisión son altamente específicas de los átomos, y pueden utilizarse para identificar fácilmente la composición química de cualquier medio capaz de dejar pasar la luz a través de él (normalmente se utiliza gas). Varios elementos fueron descubiertos por medios espectroscópicos: el helio, el talio, el cerio, etc. Las líneas espectrales también dependen de las condiciones físicas del gas, por lo que se utilizan ampliamente para determinar la composición química de las estrellas y otros cuerpos celestes que no pueden ser analizados por otros medios, así como sus condiciones físicas, como la temperatura.
El desplazamiento isomérico es el desplazamiento de una línea de absorción debido a que los núcleos absorbentes tienen densidades de electrones s diferentes a las de los núcleos emisores.
Mecanismos distintos a la interacción átomo-fotón pueden producir líneas espectrales. Dependiendo de la interacción física exacta (con moléculas, partículas individuales, etc.) la frecuencia de los fotones implicados variará ampliamente, y las líneas pueden observarse en todo el espectro electromagnético, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma.
Los astrónomos pueden utilizar la luz de una estrella filtrada a través de la atmósfera de un planeta para inferir la composición química del planeta y determinar si las condiciones para la vida son posibles allí.