Il nome di fluorescenza atomica di risonanza è solitamente attribuito ai fenomeni di fluorescenza che si possono osservare in un gas atomico quando la luce incidente è prossima a una singola, ben definita, risonanza degli atomi. Ossia quando l'energia dei fotoni incidenti è prossima alla differenza di energia tra lo stato fondamentale degli atomi e un singolo livello eccitato.

In questo caso la luce incidente può essere infatti assorbita dall'atomo che successivamente si può diseccitare, emettendo un fotone di fluorescenza. È importante notare che la luce riemessa è effettivamente classificabile come luce di fluorescenza solo se l'atomo subisce una collisione nel corso dell'interazione con la luce, in modo da rendere la transizione al livello eccitato “reale” e non “virtuale”. Più tecnicamente, la collisione produce una variazione casuale della fase dello stato atomico eccitato, che si traduce nel fatto che la luce riemessa è incoerente rispetto a quella incidente. Inoltre l'energia dell'atomo, a causa della collisione, può variare in modo casuale all'interno della indeterminazione energetica del livello, per cui la luce riemessa presenta uno spettro determinato da quest'ultima e non dallo spettro della luce incidente.

In assenza di collisioni, l'atomo riemette invece luce di frequenza identica a quella incidente (trascurando effetti doppler legati al movimento dell'atomo) mantenendo con essa una relazione di fase ben precisa. Quest'ultimo fenomeno si chiama diffusione elastica (in inglese elastic scattering) ed è ben distinto dalla fluorescenza. In generale la luce incidente su un gas di atomi in condizioni di risonanza produce entrambi i fenomeni. Il rapporto tra le due emissioni dipende dal tasso di collisioni, ossia dalla pressione del gas.

Ad alta intensità della luce incidente si verificano anche altri fenomeni più complessi che vengono sempre compresi nella definizione fluorescenza atomica di risonanza. In questo limite, il sistema che viene eccitato e poi riemette luce di fluorescenza non può più essere considerato l'atomo isolato, ma l'atomo “vestito” (cioè modificato) dall'interazione continua con la stessa luce incidente. Il risultato finale è la presenza di tre picchi distinti nello spettro di fluorescenza. Questo argomento può essere approfondito sul classico libro di Loudon, The quantum theory of light.

Non esiste invece (almeno a mia conoscenza) una distinzione ufficiale tra una fluorescenza atomica di risonanza e una fluorescenza atomica normale. L'emissione di fluorescenza da parte di atomi quasi isolati (come in un gas) richiede sempre la presenza di almeno una risonanza e produce comunque fenomeni simili a quelli descritti sopra. La fluorescenza normale è invece quella generata da molecole o da materia condensata, in cui sono presenti delle bande energetiche al posto dei ben definiti livelli atomici e in cui gli eventi di interazione del singolo sistema elettronico con altri gradi di libertà (analoghi alle collisioni atomiche) sono inevitabili e frequentissimi.

La fluorescenza degli atomi può forse assomigliare un pò a quella normale delle molecole nel limite in cui il gas atomico è molto denso (ci sono quindi molte collisioni) e/o se vi sono molti livelli elettronici eccitati prossimi tra loro e coinvolti nell'interazione con la luce.