Każdy pierwiastek ma własny, niepowtarzalny układ poziomów energetycznych elektronów. Przejścia elektronów między tymi poziomami dają fotony o ściśle określonych energiach (długościach fali), tworząc unikalny zestaw linii widmowych. Ten wzór linii jest jak „odcisk palca" pierwiastka — pozwala go rozpoznać (analiza widmowa).

Światło gwiazdy rozszczepia się na widmo. Obecne w nim linie widmowe (jasne lub ciemne) odpowiadają konkretnym pierwiastkom. Porównując linie z widmami znanych pierwiastków zmierzonymi w laboratorium, astronomowie rozpoznają, jakie pierwiastki są obecne w gwieździe — mimo że jest ona oddalona o lata świetlne.

Widmo emisyjne to jasne linie na ciemnym tle — powstaje, gdy wzbudzone atomy emitują światło o określonych długościach fali.

Widmo absorpcyjne to ciemne linie na tle widma ciągłego — powstaje, gdy atomy pochłaniają z przechodzącego światła te same długości fali, które mogłyby wyemitować.