In generale, un fascio di radiazione elettromagnetica che attraversa un mezzo subisce assorbimento: parte della radiazione, interagendo in vario modo con il materiale che compone il mezzo, viene sottratta (assorbita, diffusa, cambiata di frequenza) dal fascio primario.
Si può intuire che l'entità dell'assorbimento dipende da due fattori: la quantità di materiale assorbente ed il meccanismo fisico responsabile dell'assorbimento. Il primo punto è abbastanza evidente: uno schermo più spesso e/o più denso attenua maggiormente la radiazione rispetto ad uno più tenue. Per quanto riguarda il secondo punto, la radiazione interagisce differentemente con diversi mezzi a seconda della loro composizione e stato fisico, per esempio l'aria limpida è più trasparente di una nuvola dove il vapore acqueo si è condensato in goccioline.
Matematicamente, si definisce profondità ottica di un mezzo la quantità
τ = n × D × σ,
dove n è la densità di particelle per unità di volume del mezzo, D è la dimensione lineare del mezzo, e σ è la cosiddetta sezione d'urto che rappresenta quanto intensa è l'interazione con il mezzo in questione. Si può dimostrare che un fascio di radiazione di intensità iniziale I0 verrà ricevuto con un'intensità I ridotta in misura esponenziale dopo aver attraversato un mezzo di profondità ottica τ, secondo la relazione (detta legge di Lambert-Beer-Bouguer):
I = I0 × e-τ.
Un mezzo si dice otticamente spesso oppure otticamente sottile a seconda che τ > 1 oppure τ < 1. Come si vede dalla formula sopra, se τ < 1 allora I rimane abbastanza simile ad I0 dato che e-τ ≈ 1 per τ ≪ 1. Al contrario, se τ > 1 l'affievolimento della radiazione avviene esponenzialmente per cui una profondità ottica superiore ad 1 comporta una quasi totale eliminazione della radiazione incidente (con τ = 10, solo lo 0.0045% della radiazione originale sopravvive).
La sezione d'urto (e quindi la profondità ottica) dipende in generale dalla frequenza della radiazione incidente. Un fascio di luce policromatica subirà differente assorbimento nelle sue varie frequenze. Per esempio, l'atmosfera terrestre rimuove prevalentemente il blu rispetto al rosso, e per questo il Sole all'orizzonte appare rosso (il blu viene rimosso in proporzione maggiore). La dipendenza dalla frequenza diventa particolarmente importante quando si considerano le righe di assorbimento. Infatti, l'assorbimento sarà molto maggiore a quelle specifiche frequenze che permettono di eccitare (o ionizzare) uno stato atomico o molecolare ad un livello superiore. Ecco come mai nello spettro di certe sorgenti si osservano dei "buchi" a delle specifiche frequenze: sono le frequenze a cui la sezione d'urto diventa molto maggiore rispetto alle frequenze adiacenti.
Una riga di assorbimento verrà quindi descritta da una profondità ottica corrispondente alla frequenza della riga stessa. Come per tutti i processi di assorbimento, la profondità ottica dipende da quanto materiale c'è (corrispondente al prodotto n × D nella definizione di τ) e dal particolare processo fisico responsabile della riga. In questo senso, più materiale c'è, maggiore sarà il numero delle interazioni tra la radiazione ed il mezzo assorbente, per cui l'effetto sarà più forte e la riga più pronunciata. Oltre alla densità, però, c'è da considerare l'effetto della sezione d'urto: diversi atomi interagiscono diversamente con la radiazione, e per ogni atomo le differenti righe di assorbimento non sono ugualmente forti. L'intensità di una riga di assorbimento dipende da quanto è facile far scattare un atomo da un livello energetico all'altro, che dipende dalla struttura quanto-meccanica dell'atomo, e quindi dalla sua configurazione elettronica. Ogni transizione viene quantificata dalla sua sezione d'urto, che di solito si esprime tramite un coefficiente detto forza dell'oscillatore. Questi coefficienti vengono misurati in laboratorio oppure calcolati al computer (la difficoltà delle equazioni quantistiche non permette una soluzione analitica) e sono riportati in tabelle e database.
Aggiungo un'ultima considerazione: una riga di assorbimento, oltre che alla sua intensità (cioè dalla sua profondità ottica alla frequenza centrale), è caratterizzata dalla sua ampiezza, ed in generale dal suo profilo in funzione della frequenza. Nonostante le transizioni atomiche corrispondano ad una ben specifica energia, all'atto pratico una serie di fenomeni rende l'assorbimento non monocromatico per cui la riga occupa un range finito di frequenze. Per esempio (ma ci sono tanti fenomeni che possono contribuire) ogni mezzo è composto da un insieme di atomi (o molecole) ad una certa temperatura, per cui le particelle costituenti sono dotate di agitazione termica. A causa dell'effetto Doppler, ogni particella assorbe radiazione ad una frequenza leggermente diversa, creando una riga più ampia. Come ordine di grandezza, nel caso di allargamento termico, l'ampiezza spettrale Δν di una riga di frequenza ν è data da:
dove T è la temperatura del mezzo, k è la costante di Boltzmann, c è la velocità della luce nel vuoto, ed m è la massa delle particelle costituenti il mezzo. Si noti che, oltre all'allargamento termico, esistono altri meccanismi e processi fisici per allargare una riga (per esempio, collisioni, allargamento "naturale" quantistico, moto sistematico del mezzo, eccetera).
La spettroscopia in assorbimento è un metodo di indagine molto potente per esaminare la composizione di un mezzo (trasparente). Se si ha una sorgente di radiazione che illumina il mezzo, l'analisi delle righe di assorbimento permette di studiare il mezzo anche senza averne accesso, e le righe di assorbimento sono una perfetta "firma" per indicare le specie atomiche e molecolari presenti. È uno degli strumenti principi dell'analisi delle sorgenti celesti in astronomia, ma viene utilizzata anche in laboratorio per analisi chimiche e in fisica dell'atmosfera.
Si noti che dal punto di vista sperimentale la "profondità" di una riga è un buon indicatore della quantità del mezzo assorbente soltanto nel caso otticamente sottile. Infatti, quando τ > 1, l'intensità residua diventa praticamente nulla (data la dipendenza esponenziale di I): la gran parte della radiazione viene rimossa non appena τ > 1 per cui un ulteriore incremento di τ non cambia la situazione. In pratica, al crescere di τ, l'intensità della riga (la quantità di radiazione rimossa dal fascio originario) cresce solo molto debolmente. Per τ < 1, al contrario, la radiazione rimossa è circa proporzionale a τ e permette una misura diretta di quanto materiale c'è lungo la linea di propagazione del raggio di luce. La larghezza spettrale della riga può complicare le cose: una riga allargata può rimuovere più luce da un raggio perché agisce su più frequenze contemporaneamente – anche se la quantità di materiale assorbente è limitata.