Secondo la teoria meccanica quantistica, un elettrone legato ad un atomo non può avere qualsiasi valore di energia, anzi può occupare solo certi stati corrispondenti a certi livelli energetici. La formula che definisce i livelli di energia di un atomo di idrogeno sono date dalla equazione: E = -E0 / n2, dove E0 = 13.6 eV (1 eV = 1.602 × 10-19 Joule) e n = 1,2,3... E così via. L'energia viene espressa come un numero negativo per separare (ionizzare) l'elettrone dal nucleo. È convenzione comune dire che un elettrone non legato ha energia zero (vincolante). Un elettrone legato ad un atomo può assorbire fotoni di determinate energie esattamente corrispondenti alla differenza di energia tra due stati energetici. Nella guida a seguire, sarà spiegato dettagliatamente come calcolare i livelli energetici dell'atomo di idrogeno.