Una cantidad específica y discreta de energía que un electrón puede tener dentro de un material.Un nivel de energía es una cantidad discreta y cuantizada de energía que un electrón (u otro sistema cuántico) puede ocupar dentro de un átomo, molécula o sólido. En los átomos, los electrones existen en capas y subcapas específicas, y las transiciones entre estos niveles producen absorción o emisión de fotones a frecuencias características. En los sólidos, los niveles de energía se ensanchan en bandas, y la disposición de estas bandas determina si un material es conductor, semiconductor o aislante.
El concepto surgió del modelo del átomo de hidrógeno de Niels Bohr en 1913, que introdujo órbitas cuantizadas. Fue generalizado por Arnold Sommerfeld y más tarde formalizado en la mecánica cuántica por Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg a mediados de la década de 1920.
La mecánica cuántica dicta que los electrones ligados no pueden tener energías arbitrarias, sino solo ciertos valores permitidos por la función de onda del sistema y sus condiciones de contorno. El principio de exclusión de Pauli asegura que cada nivel albergue un número limitado de electrones. Cuando un electrón absorbe un fotón con energía exactamente igual a la diferencia entre dos niveles, salta a un nivel superior; cuando cae de nuevo, emite un fotón de esa misma energía.
Los niveles de energía sustentan los láseres, los LED, las células solares y la electrónica de semiconductores; la espectroscopia los utiliza para identificar elementos en estrellas y materiales.
Los niveles de energía exactos del hidrógeno son lo que permitió a los astrónomos deducir la composición de estrellas lejanas e incluso medir la expansión del universo mediante el corrimiento al rojo de las líneas espectrales.