「なぜ金属元素を炎の中に入れると、それぞれ固有の色に輝くのか？」という疑問は、高校物理や化学の量子化学的アプローチ（電子配置とエネルギー準位）によって明快に説明できます。
物質を構成する原子の周りには電子が存在し、通常は最もエネルギーが低く安定した「基底状態」の電子軌道に収まっています。ここにガスバーナーなどの熱エネルギーが加わると、電子がそのエネルギーを吸収し、外側のエネルギーが高い軌道へとジャンプします。この不安定な状態を「励起状態（れいきじょうたい）」と呼びます。
しかし、励起状態は極めて不安定であるため、電子はわずか数ナノ秒から数マイクロ秒という極小の時間で、元の安定な基底状態へと戻ろうとします。このとき、励起状態と基底状態の「エネルギー準位の差（ΔE）」に相当する余剰エネルギーが、電磁波（光子）として外部に放出されます。放出される光のエネルギー $E$ は、プランク定数 $h$ と振動数 $\nu$、光速 $c$、波長 $\lambda$ を用いて以下の関係式で表されます。
$$\Delta E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$$
元素ごとに電子配置や原子核の陽子数が異なるため、エネルギー差 $\Delta E$ は各元素固有の値を取ります。この $\Delta E$ がたまたま人間の目に見える「可視光線領域（波長約380nm〜780nm）」に合致した際、私たちはそれを「炎色反応」として視覚認識するわけです。
ナトリウムの黄色が異常に強く光る理由も、この物理化学的メカニズムで説明がつきます。ナトリウムが放つ光は「ナトリウムD線」と呼ばれる波長589.0nmおよび589.6nmの2本の非常に近接したスペクトル線からなり、この波長域は人間の眼球の錐体細胞が最も高い感度（比視感度）を示す領域とほぼ一致しています。さらに遷移確率が極めて高いため、微量のナトリウムが含まれるだけでも目視で鮮烈な黄色として感知されるのです。
