Promieniowanie niejonizujące wysyłane jest przez atomy i cząsteczki znajdujące się w stanach wzbudzonych, które przechodzą do stanów o niższej energii emitując fotony. Gdy wzbudzenie jest nietermiczne zjawisko nosi nazwę luminescencji. Wzbudzenie nietermiczne może być wywołane przez rozpędzone elektrony (katodoluminescencja), promieniowanie jonizujące (radioluminescencja), promieniowanie X, pole elektryczne, procesy zachodzące w niektórych organizmach żywych (bioluminescencja) lub fotony – fotoluminescencja. Promieniowanie luminescencyjne wynika z pobudzenia cząsteczek, przy czym energia elektronów tych cząsteczek jest zwykle znacznie większa niż wynikałoby to z temperatury ciała emitującego promieniowanie.
Na energię wzbudzonych cząsteczek składają się: energia elektronów, energia oscylacyjna związana z drganiami składowych cząsteczki wokół wspólnego położenia równowagi i energia związana z rotacją cząsteczki wokół osi – energia rotacyjna. Każda z tych energii jest skwantowana. Jeżeli pominąć energię jąder atomowych energia cząsteczki jest równa
E = Ee+ Eo + Er
Wzbudzenie może być wywołane przez absorpcję promieniowania z zakresu bliskiej podczerwieni, światła widzialnego i ultrafioletu. Przebieg zjawisk wywołanych pochłonięciem promieniowania zależy w istotny sposób od stanów wzbudzonych elektronów tych cząsteczek.
Wzbudzenie cząsteczki przenosi elektron walencyjny na jeden z poziomów wzbudzonych o wyższej energii oscylacyjnej. Cząsteczka może stracić część tej energii oddając ją na drodze bezpromienistej i przechodząc do stanu o najniższej energii oscylacyjnej. Następnie może wyemitować foton o energii mniejszej niż zaabsorbowana i przejść do stanu podstawowego – fluorescencja (10-8s). Cząsteczka może przejść do stanu podstawowego oddając swoją energię w zderzeniach się z innymi cząsteczkami – dezaktywacja bezpromienista.
W niektorych cząsteczkach (lub atomach) mogą ponadto występować stany wzbudzone o zbliżonej energii (singletowe i tripletowe – różnią się wypadkowym spinem) pomiędzy którymi nie występują przejścia promieniste. Cząsteczka może przejść do takiego stanu na skutek zmiany zwrotu spinu jednego z elektronów. Czas życia cząsteczki w takim stanie jest znacznie dłuższy niż 10-8s. Następnie może wrócić do stanu podstawowego emitując foton – fosforescencja lub na drodze bezpromienistej. Z fosforescencją mamy również do czynienia gdy energia przekazywana jest bezpromieniście między dwoma molekułami. Widmo fotoluminescencji jest przesunięte w kierunku fal dłuższych.
Cząsteczki w stanie wzbudzonym znajdują się w stanie wyższej aktywności chemicznej i dlatego łatwiej wchodzą w reakcje chemiczne. Jest to efekt fotochemiczny. światło dostarcza energii aktywacji niezbędnej by zaszła reakcja. Efekt ten umożliwia zachodzenie w układach biologicznych reakcji, które w innych warunkach nie mogłyby zajść. Mamy tu do czynienia z reakcjami fotochemicznymi. Tego typu zjawiska zachodzące w organizmach żywych są przedmiotem zainteresowania dziedziny zwanej fotobiologią.
Takie procesy leżą u podstaw bakteriobójczego działania niskocisnieniowych lamp rtęciowych (dimeryzacja tyminy w DNA). Inną reakcją tego typu jest powstawanie witaminy D z prowitaminy. W tym przypadku pod wpływem energii dostarczonej przez zaabsorbowany foton ( UV-B) następuje przegrupowanie w cząsteczce prowitaminy. Zmiany konformacji cząsteczki leży u podstaw procesu widzenia. Przejście 11-cis-retinalu w 11-trans-retinal i odłączenie oksyny powoduje powstanie sygnału nerwowego (AP).
Rainhardt