Как Томсон отметил в предисловии, он намеревался выявить ошибки волновой теории света, то есть теории, введенной Максвеллом за 20 лет до этого и все еще вызывавшей сомнения. Основное возражение Томсона было связано с самими абстрактными выводами Максвелла, который никогда не давал ответа на важные для этой теории вопросы: что такое свет? что такое электрические и магнитные поля? как они распространяются в вакууме? из чего состоит сам вакуум?
Электромагнитное излучение включает в себя целый набор волн, имеющих одно общее свойство: они распространяются в вакууме со скоростью с = = 299792, 458 км/с. Этот набор охватывает волны от радиочастот до гамма-излучения (характеристика некоторых ядерных процессов), включая инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи. Для каждого вида излучения характерна собственная энергия Е, представленная в электрон-вольтах на верхней оси прилагаемой шкалы (1 эВ = 1, 60217646 х 10-19 Дж). Излучение энергии выше примерно 102эВ называется ионизирующим, оно используется, среди прочего, в радиотерапии и радиодиагностике. Как и любые другие волны, электромагнитное излучение характеризуется двумя свойствами, связанными с энергией. Одно из них — частота, υ = E/h, где h, значение которого равно 6, 62606896 х 10-34 Дж х с, — это постоянная Планка. Она дает представление о числе колебаний волны в секунду. Значения частоты в Гц показаны на центральной оси шкалы. Другое свойство — это длина волны, равная λ= hc/E, где с — скорость света в вакууме. Значения, которые она может принимать для электромагнитного излучения, приведены в метрах на нижней оси. Видимый свет занимает лишь небольшой фрагмент электромагнитного спектра — приблизительно от 0, 38 мкм, что соответствует фиолетовому, до 0, 78 мкм, что соответствует красному.
Оптический спектрометр, или спектроскоп, — это аппарат, позволяющий изучать электромагнитное излучение. В случае с видимым светом в спектрометрах используется оптическая призма или дифракционная решетка - два оптических элемента, которые позволяют разделить луч света, падающий на прибор, на волны различной длины. Как видно на рисунке, когда поток белого света падает на призму, каждый цвет преломляется под разным углом, так что на выходе из призмы волны оказываются разделенными. В 1814 году фон Фраунгофер изучал свет, излучаемый Солнцем, с помощью одного из этих устройств и обнаружил, что на фоне из соответствующих цветов появляется ряд черных линий. Затем он проанализировал свет, испускаемый пламенем, и обнаружил противоположное: на темном фоне появляются цветные линии.
В течение XIX века было накоплено много спектроскопической информации, которая не поддавалась объяснениям с помощью существующих моделей. В 1885 году швейцарский математик и физик Иоганн Якоб Бальмер (1825-1898) нашел эмпирическую формулу, которая описывала длины волн видимого спектра водорода. В 1888 году шведский физик Йоханнес Роберт Ридберг (1854-1919) предложил более общее выражение, позволившее предсказать длины волн спектральных линий многих химических элементов как в видимой области, так и в инфракрасной и ультрафиолетовой. Окончательное объяснение пришло с появлением квантовой механики, согласно которой испускание и поглощение атомами и молекулами материи электромагнитного излучения вызвано тем, что некоторые их электроны переходят между квантовыми уровнями энергии.
Следовательно, фон Фраунгофер наблюдал два типа спектра: спектр поглощения и спектр испускания. В случае с солнечным спектром свет, образованный внутри Солнца, сначала пересекает внешние слои своей звезды, а затем земную атмосферу, пока не доходит до спектроскопа. Материя этих слоев поглощает излучение с энергией, характерной для ее атомов и молекул, вследствие этого в спектре появляются черные линии. В случае с пламенем сжигаемый материал только испускает электромагнитное излучение с конкретной энергией, соответствующей данному материалу, отсюда - светящиеся цветные линии на темном фоне.