Une quantité d'énergie spécifique et discrète qu'un électron peut posséder au sein d'un matériau.Un niveau d'énergie est une quantité d'énergie discrète et quantifiée qu'un électron (ou un autre système quantique) peut occuper au sein d'un atome, d'une molécule ou d'un solide. Dans les atomes, les électrons existent dans des couches et sous-couches spécifiques, et les transitions entre ces niveaux produisent l'absorption ou l'émission de photons à des fréquences caractéristiques. Dans les solides, les niveaux d'énergie s'élargissent en bandes, et l'agencement de ces bandes détermine si un matériau est conducteur, semi-conducteur ou isolant.
Le concept est issu du modèle de l'atome d'hydrogène proposé par Niels Bohr en 1913, qui introduisit des orbites quantifiées. Il fut généralisé par Arnold Sommerfeld, puis formalisé en mécanique quantique par Erwin Schrödinger et Werner Heisenberg au milieu des années 1920.
La mécanique quantique impose que les électrons liés ne puissent pas avoir des énergies arbitraires—seules certaines valeurs, déterminées par la fonction d'onde du système et ses conditions aux limites, sont autorisées. Le principe d'exclusion de Pauli garantit que chaque niveau ne peut contenir qu'un nombre limité d'électrons. Lorsqu'un électron absorbe un photon dont l'énergie correspond exactement à l'écart entre deux niveaux, il saute vers un niveau supérieur ; lorsqu'il retombe, il émet un photon de cette même énergie.
Les niveaux d'énergie sont à la base des lasers, des LED, des cellules solaires et de l'électronique des semi-conducteurs ; la spectroscopie les utilise pour identifier les éléments présents dans les étoiles et les matériaux.
C'est grâce aux niveaux d'énergie précis de l'hydrogène que les astronomes ont pu déduire la composition des étoiles lointaines et même mesurer l'expansion de l'univers via le décalage spectral vers le rouge.