Grundzustand

Elektronen können sich um den Atomkern nur in bestimmten Konstellationen ("Kreisbahnen", "Orbitale") aufhalten. Jeder dieser Konstellationen ist ein gewisses Energieniveau zugeordnet. Dabei sind die kernnahen Bahnen grundsätzlich mit einer geringeren Energie verbunden. Um ein Elektron gegen die elektrostatische Anziehung des positiv geladenen Atomkerns in eine weiter außen liegende Bahn zu befördern, ist somit eine Energiezufuhr notwendig (z.B. durch Licht oder Wärme). Ein System in einem Zustand höherer Energie (angeregter Zustand) fällt anschließend wieder in den Grundzustand zurück, wobei Energie frei wird.

Die Energie, die beim Wechseln vom angeregten Zustand in den Grundzustand frei wird, entspricht einem Lichtquant. Gemäß dem Plankschen Wirkungsquantum kann die Energie des Photons in eine Wellenlänge umgerechnet werden. Liegt diese innerhalb des sichtbaren Spektrums, kann sie mit dem menschlichen Auge wahrgenommen werden. Die Farbigkeit eines Gegenstandes ist also davon abhängig, aus welchen Atomen er besteht und wie groß die Abstände zwischen den Energieniveaus sind.

Die Farbigkeit machen sich beispielsweise Chemiker in der Analytik (Indikatoren), Mediziner in der klinischen Chemie und die Polizei in der Forensik (Luminol) zu Nutze.