Việc quan sát hiện tượng phân tách mức thuận lợi nhất khi dùng đơn chất của nguyên tố hóa học có một electron hóa trị ở lớp ngoài cùng, tức là các kim loại kiềm. Sau đây mô tả với Cesium Cs133.[1][2]

Bình thường, nguyên tử ở trạng thái cơ bản, electron hóa trị ở mức năng lượng thấp nhất là mức 1s. Khi kích thích bằng đốt nóng hoặc bằng chiếu sáng với photon có năng lượng cao hơn, một lượng nào đó các nguyên tử sẽ bị kích thích, có điện tử chuyển dời lên các mức năng lượng cao hơn, như 2p (Hình a).

Khi có trường từ ngoài T≠0, mức năng lượng cao bị tách thành các mức con, gọi là mức Zeeman. Mức 2p tách thành 2 mức con là 2p1 và 2p2, với chênh lệch năng lượng giữa hai mức con này tỷ lệ với trị tuyệt đối của từ trường |T| (Hình b).

Cũng theo cơ học lượng tử, chuyển dời 2p2→2p1 là chuyển dời được phép, và sẽ phát ra một photon có tần số fp = K|T|, với K là Hệ số tỷ lệ. Sau đó là chuyển dời 2p1→1s, phát ra ánh sáng.

Hệ số của Cs133 là K ≈ 3,5 Hz/nT. Khi trường từ |T| = 40 000 nT thì fp ≈ 140000 Hz.

Để thu được sóng điện từ này, phải thực hiện cưỡng bức nhiều nguyên tử Cs133 kích thích và chuyển dời đồng bộ với nhau.