Een spectraallijn is een donkere of heldere lijn in een verder uniform en continu spectrum, die het gevolg is van een overmaat of tekort aan fotonen in een smal frequentiegebied, vergeleken met de nabijgelegen frequenties.
Spectraallijnen zijn het resultaat van interactie tussen een kwantumsysteem (meestal atomen, maar soms moleculen of atoomkernen) en afzonderlijke fotonen. Wanneer een foton precies de juiste energie heeft om een verandering in de energietoestand van het systeem mogelijk te maken (in het geval van een atoom is dit meestal een elektron dat van baan verandert), wordt het foton geabsorbeerd. Vervolgens wordt het spontaan opnieuw uitgezonden, hetzij in dezelfde frequentie als het oorspronkelijke foton, hetzij in een cascade, waarbij de som van de energieën van de uitgezonden fotonen dezelfde is als de energie van het geabsorbeerde foton. De richting van de nieuwe fotonen zal niet gerelateerd zijn aan de reisrichting van het oorspronkelijke foton.
Afhankelijk van de geometrie van het gas, de fotonenbron en de waarnemer, zal ofwel een emissielijn ofwel een absorptielijn worden geproduceerd. Als het gas zich tussen de fotonenbron en de waarnemer bevindt, zal een afname van de lichtintensiteit in de frequentie van het invallende foton worden waargenomen, omdat de teruggestraalde fotonen meestal in een andere richting zullen gaan dan het oorspronkelijke foton. Dit zal een absorptielijn zijn. Als de waarnemer het gas ziet, maar niet de oorspronkelijke fotonenbron, dan zal de waarnemer alleen de fotonen zien die in een smal frequentiegebied opnieuw worden uitgezonden. Dit is een emissielijn.
Absorptie- en emissielijnen zijn zeer atoomspecifiek, en kunnen worden gebruikt om gemakkelijk de chemische samenstelling vast te stellen van elk medium dat licht doorlaat (meestal wordt gas gebruikt). Verschillende elementen werden ontdekt door spectroscopische middelen – helium, thallium, cerium, enz. Spectraallijnen zijn ook afhankelijk van de fysische omstandigheden van het gas, zodat zij op grote schaal worden gebruikt om de chemische samenstelling van sterren en andere hemellichamen te bepalen die niet met andere middelen kunnen worden geanalyseerd, evenals hun fysische omstandigheden zoals temperatuur.
Isomeerverschuiving is de verschuiving van een absorptielijn als gevolg van het feit dat de absorberende kernen een andere s-elektronendichtheid hebben dan de uitzendende kernen.
Andere mechanismen dan de wisselwerking tussen atoom en foton kunnen spectraallijnen produceren. Afhankelijk van de precieze fysische interactie (met moleculen, afzonderlijke deeltjes, enz.) zal de frequentie van de betrokken fotonen sterk variëren, en lijnen kunnen worden waargenomen in het gehele elektromagnetische spectrum, van radiogolven tot gammastralen.
Astronomen kunnen het licht van een ster, gefilterd door de atmosfeer van een planeet, gebruiken om de chemische samenstelling van de planeet af te leiden en zo te bepalen of de omstandigheden voor leven daar mogelijk zijn.