Un gas caldo a bassa pressione produce, attraverso lo spettroscopio, uno spettro di emissione a righe. Se lo stesso gas è raffreddato ed è attraversato da radiazione bianca dallo spettro continuo mancheranno le stesse righe e lo spettro è di assorbimento.
A bassa temperatura molti atomi sono nel loro stato di più bassa energia detto stato fondamentale. Ma se sono indotti da radiazione ad assumere uno stato di energia più elevata assumono uno stato eccitato. Nella maggior parte dei casi gli atomi rimangono un brevissimo tempo in uno stato eccitato e spontaneamente ritornano nello stato fondamentale direttamente o attraverso livelli intermedi emettendo un fotone per ogni transizione (emissione spontanea) . Il tempo di vita media di uno stato eccitato è circa 10 ns.
La natura della radiazione prodotta da emissione spontanea o indotta è profondamente diversa.
Nel primo caso la radiazione è emessa in modo casuale, termico, dall'atomo con fase relativa anch'essa causale. La radiazione è quella naturale ed è incoerente. Nel secondo caso la radiazione prodotta si propaga nella stessa direzione ed ha una fase relativa costante. La radiazione è coerente.
L'emissione o l'assorbimento della radiazione con la transizione di un elettrone tra livelli interni all'atomo è detta bound-bound transition.
E se uno ione riesce a catturare un elettrone libero torna atomo o molecola emettendo l'energia in eccesso sotto forma di radiazione. Si ha un processo di ricombinazione e in questo caso a radiazione emessa con questo processo si chiama free-bound transistion.
Ma non sempre un elettrone libero riesce ad essere catturato da uno ione. A volte la sua energia cinetica è troppo elevata e riesce a sfuggire allo ione. Ma comunque interagisce con lo ione e diminuisce la sua energia cinetica. L'energia ceduta viene emessa sotto forma di radiazione dallo ione e il processo si chiama free-free transition (in fisica atomica è chiamata anche thermal bremsstrahlung, radiazione da frenamento termico)
In un gas molto caldo (T> 106 °K) la free-free transition è la principale sorgente di emissione perchè l'idrogeno è completamente ionizzato e gli elettroni liberi hanno energie cinetiche elevate.
Il processo che dà luogo all'emissione spontanea è alla base dei fenomeni di diffusione (scattering) della radiazione. La riflessione e la diffusione della luce sono l'aspetto macroscopico. Un secondo aspetto non molto evidente dal punto di vista macroscopico ma ugualmente importante è la polarizzazione per riflessione e per diffusione.
Tutti e due i fenomeni si basano sul fatto che un dipolo oscillante emette in direzione perpendicolare alla direzione di oscillazione. Quando radiazione non polarizzata investe una molecola questa comincia ad oscillare in direzione perpendicolare riemettendo la radiazione incidente. La radiazione riemessa in direzione perpendicolare alla direzione di oscillazione (e quindi nella stessa direzione incidente) viene riemessa non polarizzata come quella incidente.
Ma la radiazione riemessa in direzione longitudinale alla direzione di oscillazione sarà nulla e se la molecola oscilla casualmente in un piano, la radiazione che si propaga lungo quel piano, perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda incidente, sarà polarizzata ovvero sarà assente una componente del campo elettromagnetico.
