Каждое энергетическое состояние электрона, уровней энергии по аналогии с потенциальной энергией тела, поднятого на некоторую высоту, принято изображать графически в виде горизонтальной черты на определенном уровне соответствующем потенциальной энергии электрона. Чем дальше электронная орбита от ядра, тем большей энергией Е обладают «населяющие» ее электроны. В основном, или нормальном состоянии (состоянии термодинамического равновесия), электроны распределяются по орбитам так, чтобы атом обладал энергией Еи наименьшей из всех возможных значений. Ближайшие к ядру орбиты при этом заполняются электронами до предела. Не заполненными могут быть только более далекие (внешние) орбиты. Такой атом может только поглощать энергию и в нормальном состоянии существовать неограниченное время. При воздействии на атом внешней электромагнитной энергии, нагревании, облучении светом, бомбардировке потоком элементарных частиц или при столкновении атомов между собой энергия одного может перейти к другому и атом возбуждается: его электроны переходят на более высокие орбиты и энергетическое состояние атома может быть записано как уже указывалось, возможны только определенные (дискретные) значения уровней энергии. Возбужденных состояний атома может быть несколько. Время пребывания атома в возбужденном состоянии ограничено. Существуют некоторые возбужденные состояния—метастабильные уровни (метастабильные атомы), характеризующиеся большим временем жизни. В некоторых средах (например, газах) метастабильные атомы имеют важное значение. При столкновениях они отдают свою энергию, способствуя этим возбуждению атомов рабочей среды.