Könnte ein Atom dauernd Licht abgeben, dann könnte es exakt monochromatisches Licht abstrahlen, also Licht einer genau bestimmten Wellenlänge λ bzw. Frequenz f. Je kürzer aber die Strahlungsdauer ist, desto mehr Wellenlängen λ bzw. Frequenzen f sind beim abgestrahlten Licht beteiligt, desto größer ist der Wellenlängen- bzw. Frequenzbereich des Lichts. Diesen Bereich nennt man die Linienbreite. Zwischen der Dauer der Lichtemission eines Atoms und der Linienbreite besteht eine Unschärferelation:                                                             Δf · Δt   >=   1/2·π ^*)

Bereits ein ruhendes und isoliertes Atom im leeren Raum besitzt eine solche Linienbreite. Sie wird natürliche Linienbreite genannt. Diese hängt ausschließlich von den Lebensdauern des angeregten atomaren Niveaus und des Zielniveaus beim Elektronenübergang ab, und damit von der atomaren Struktur des Atoms.

Kann sich das Atom bewegen, dann kommt eine Doppler-Verbreiterung noch hinzu. Je nach der momentanen Geschwindigkeit ist die Linie mit ihrer natürlichen Linienbreite etwas zu höheren oder niederen Frequenzen doppler-verschoben. In einem Gas mit den verschiedensten Geschwindigkeiten der Atome ergibt die Statistik dieser vielfältigen Verschiebungen eine doppler-verbreiterte Linie.

Bei den Stößen im Gas kommt es immer wieder vor, dass ein angeregtes Atom gezwungen wird, seine Anregungsenergie vorzeitig abzugeben. Dann wird die Lebensdauer der Anregung verkürzt, die Linienbreite also vergrößert (Stoßverbreiterung).

Die Lebensdauer einer Anregung kann auch beeinflusst werden durch einen Hohlraumresonator, an den das strahlende Atom sein Photon abgeben muss. Bei geeigneten Dimensionen des Resonators, wenn die Wellenlänge zu den Hohlraum-Dimensionen passt, wenn also stehende Wellen angeregt werden können, nimmt der Resonator besonders gern ein Photon auf. Dann wird die Lebensdauer des angeregten Zustands verkürzt, die Linie verbreitert. Können sich dagegen keine stehenden Wellen ausbilden, "nimmt der Resonator nur ungern ein Photon auf", dann wird die Lebensdauer vergrößert und die Linienbreite verkleinert. Insbesondere, wenn Vakuumfluktuationen durch den Hohlraumresonator unterdrückt werden, kann die Lebensdauer um ein Vielfaches vergrößert werden.

Ein einzelnes Ion in einer Falle kann extrem geringe Linienbreite (bis herab zu wenigen Hz) haben. Es wird üblicherweise durch einen externen Laser zu Resonanzfluoreszenz angeregt. Gründe sind:

• Wenn die Falle als Hohlraumresonator ausgebildet ist, kann dieser so dimensioniert werden, dass er kaum Photonen des betreffenden Übergangs aufnehmen kann. Die Lebensdauer des angeregten Zustands wird dann sehr hoch (z.B. 30 s).
• Die Doppler-Verbreiterung fällt weg, da das Ion in der Falle quasi ruht.
• Stoßverbreiterung fällt weg, da sich das Ion allein im extremen Ultrahochvakuum befindet.

*) Wegen f = c/λ besteht - ableitbar durch Differentiation - für die jeweiligen Breiten folgende Beziehung:   Δf =  - c/λ²·Δλ = - f/λ·Δλ oder Δf/f  = - Δλ/λ  .

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(Zeichensatz geändert Dezember 2013)