原子はとびとびのエネルギー状態しかもてません． 原子が，高いエネルギー状態から低いエネルギー状態へ変化するとき， エネルギーの差に相当する特定の波長の輝線(line)が放射されます．
電波の領域では，電離した水素などが電子と再結合したときに放射される 再結合線(recombination line) が重要です．
水素原子のスペクトル線
水素のエネルギー準位
鉄原子のモデル
降着円盤の線スペクトル

水分子H₂Oの振動遷移

水分子H₂Oの回転遷移

複数の原子が結合してできた分子は， 結合軸のまわりに振動(vibration)したり 回転(rotation)したりすることができます． その振動状態や回転状態が量子力学的に変化するとき， 線スペクトルを放出・吸収します． これが分子スペクトル線です．

たとえば，代表的な２原子分子である一酸化炭素COは， 炭素原子（●）と 酸素原子（●）が結合しています． この一酸化炭素は，結合軸方向に振動しますが， 高振動状態が低振動状態に遷移するとき， 結合軸に垂直方向に電磁波を放射します． また一酸化炭素は，結合軸に垂直な方向を軸として回転しますが， 高速回転状態が低速回転状態に遷移するとき， 回転軸と垂直方向に電磁波を放射します．

このような振動エネルギー遷移や回転エネルギー遷移を表すのに，
CO (v = 2-1)　COの振動遷移の準位２から１
CO (J = 2-1)　COの回転遷移の準位２から１
のように表します．

代表的な３原子分子である水分子H₂Oも， 振動遷移や回転遷移によって電波を放出します．

オリオン分子雲の一酸化炭素輝線マップ

振動遷移 回転遷移

アンモニア分子のような立体的な分子の場合は， その構造が反転することによって電磁波（電波）を放射します．
アンモニア分子NH₃は， 窒素原子（●）と 水素原子（●）が， 四面体の形に結合しています．

原子あるいは分子を，何らかの方法によって， エネルギーの高い状態に大量に押し上げておくことができれば， 適当な電磁波の刺激によって， エネルギーの高い状態から低い状態に雪崩的な遷移が起こり， きわめて強い電磁波の放出を起こすことができます．
このプロセスは， マイクロ波領域では，誘導放射のマイクロ波増幅 (microwave amplification by stimulated emission of radiation)の頭文字を取って， メーザー(maser) と呼ばれます．
天体からは，水H₂O，水酸基OH，メタノールCH₃OH， 一酸化ケイ素SiOなどを起源とするメーザーが発見されており， 赤色巨星，星形成領域，ブラックホール周辺の 降着円盤で発生していると考えられています．

メーザー放射の詳しい説明

中性水素ガスの分布

水素原子は一個の陽子とそのまわりを回る一個の電子からできてますが， 陽子や電子のような素粒子にはスピンと呼ばれる量子力学的な性質があります． 素粒子が自転しているわけではないのですが，スピンには2種類の状態があり， 上向きスピンと下向きスピンと呼ばれています．
水素原子の場合，そういうミクロの状態で見ると， 上向きのスピンを持った陽子のまわりを“上向き”のスピンを持った電子が回っている水素原子とか， 上向きのスピンを持った陽子のまわりを“下向き”のスピンを持った電子が回っている水素原子とかがあるのです．
ときたま、上向き陽子＋上向き電子の状態にある水素原子が， 上向き陽子＋下向き電子の状態に変化することがあり， このことを超微細構造遷移と呼んでいます． （上向き＋上向き）状態と（上向き＋下向き）状態では， 前者の方がエネルギーがわずかだけ大きいために， この超微細構造遷移が起こると余剰のエネルギーを電波の形で放射します． この余剰のエネルギーの大きさは決まっていて， 出てくる電波の波長も21cmという特定の波長になります．

銀河系の中性水素ガス分布