La spettroscopia atomica è uno strumento fondamentale nell'analisi elementare, sia qualitativamente che quantitativamente. Essa può essere ampiamente suddivisa in metodi di spettroscopia ottica, spettroscopia di massa e spettroscopia a raggi X. I metodi spettroscopici ottici includono: la spettroscopia di assorbimento atomico (AAS), la spettroscopia di emissione atomica (AES) e la spettroscopia di fluorescenza atomica (AFS). Il primo passaggio in tutti e tre i metodi è l'atomizzazione, durante la quale i campioni in fase solida, liquida o di soluzione vengono convertiti in atomi e ioni in fase gassosa.

Nell’AAS, i campioni gassosi interagiscono con la radiazione elettromagnetica e assorbono fotoni con le energie esatte che promuovono gli elettroni degli atomi dello stato fondamentale ai loro stati eccitati. Per esempio, l'elettrone spaiato 3s dell'atomo di Na viene promosso all'orbitale 3p, 4p o 5p sull'assorbimento di radiazioni rispettivamente di 285 nm, 330 nm o 590 nm. La riduzione della luce trasmessa da determinate lunghezze d'onda, viene misurata dal rilevatore e visualizzata con uno spettro di assorbanza o trasmittanza.

Nell’AES, gli atomi in fase gassosa nello stato fondamentale vengono eccitati elettronicamente con il calore o con l’energia di una scarica elettrica. Questi atomi in fase gassosa eccitati ad alta energia e di breve durata si rilassano tornando allo stato fondamentale, emettendo dei fotoni corrispondenti al gap energetico. L'intensità della luce emessa viene rilevata e convertita in un segnale elettrico che fornisce un'impronta digitale del campione. Ad esempio, le transizioni elettroniche degli atomi di Na eccitati dagli orbitali 3p, 4p e 5p all'orbitale 3s determinano delle emissioni rispettivamente di circa 590 nm, 330 nm e 285 nm. La radiazione emessa viene misurata ed elaborata in uno spettro.

Nell’AFS, gli atomi in fase gassosa allo stato fondamentale vengono irradiati da una lunghezza d'onda caratteristica e promossi allo stato elettronicamente eccitato. A condizione che non si verifichi una transizione senza radiazioni, gli atomi allo stato eccitato si rilassano allo stato fondamentale emettendo fluorescenza alla lunghezza d'onda esatta corrispondente all'energia che hanno assorbito. Il rilevatore, di solito, è ad angolo retto rispetto al fascio sorgente, dove solo le emissioni di fluorescenza dovrebbero raggiungerlo.

A differenza degli spettri molecolari, gli spettri atomici hanno linee nette a causa dell'assenza di vari stati energetici rotazionali e vibrazionali, che portano all'allargamento del picco negli spettri molecolari.