我們把分成一檔一檔的原子內能值叫做原子的能級，可以用能級圖來表示。圖中，每一條橫線代表一個能級，最低的能級E1叫做基級，代表的原子能量狀態叫做基態，相當於電子在最小的軌道上運動。往上去的其他能級，如E2、E3等叫做激發能級，代表的原子能量狀態叫做激發態，相當於電子在各個較大的軌道上運動。處於基態的原子受到外界的“剌激”，如受到光的照射，受到電子或原子的撞擊，便獲得了能量，於是上升到較高的能級去，原子的這種能態的變化過程叫做激發過程；反之，處於高能級的原子也可以釋放出一部分能量，而從較高的能級下降到較低的能級，或降低到基級，原子的這種能態的變化過程叫做躍遷過程。在這兩種過程中，原子所得到的能量，或原子所失去的能量，剛好等於兩個能級之間的能量差。
我們在某一時刻觀察某一種物質，並不是觀察一個原子，而是數不清的大量原子構成的物質。在這一時刻裏，一個原子自然是隻能處於某個一定的能級狀態，所觀察的大量原子中的各個原子卻可能處於不同的能級上，因此觀察到的是大量的、處於不同能級的原子的總情況。如前麵講過的，我們拍攝一種原子光譜，比如氫光譜，可以觀察到多條譜線。這表明，我們觀察到的結果，反映的是大量的原子分別從不同能級輻射躍遷到其他能級的情況。光譜線的強弱反映出從相同的高能級輻射躍遷到低能級的原子數目的多少。從同一高能級輻射躍遷到低能級的原子數越多，即同一條譜線的發光原子數越多，這條光譜線就越亮。
對於氣體來說，大量的同類氣體原子在運動的過程中，會互相碰撞，交換能量。這樣，有些原子就會被激發到高能級去，而另一些原子則處於低能級。氣體分子間彼此能量交換通常表現為熱運動能量，當達到熱平衡的時候，在氣體的單位體積內處於各個能級上的原子數目的比值是一定的，換句話說，當熱平衡時，在單位體積內的同類氣體原子在各個能級上是按照一定的統計規律分布的。具體說來就是，處於高能級的原子數比處於低能級的原子數少，而且，激發能級越高，處於這個能級上的原子數越少。這種原子分布狀態，叫做原子的正常分布。