Leuchtstofflampen sind weitaus komplexer im Design als Glühbirnen und effizienter. Eine Glühbirne erzeugt im Verhältnis zu der von ihr erzeugten Wärmemenge sehr wenig Licht und verschwendet viel Energie. Leuchtstofflampen verschwenden sehr wenig Energie und halten im Allgemeinen bis zu sechsmal länger als Glühlampen. Sie haben ein röhrenförmiges Design mit Kappenenden, die jeweils zwei externe Stifte aufweisen. Die Innenseite des Glasrohres ist mit Phosphor pulverbeschichtet, außerdem befindet sich ein kleiner Tropfen Quecksilber in der mit Argongas gefüllten Glühbirne. Eine Elektrode an beiden Enden ist mit elektrischen Schaltkreisen verbunden.
Ein grundlegendes Verständnis der Lichterzeugung ist hilfreich. Atome haben negativ geladene Elektronen, die den Kern in verschiedenen Abständen umkreisen. Wenn ein Atom genügend Energie aufnimmt, kann es dazu führen, dass eines der Elektronen auf eine höhere Umlaufbahn springt. Wenn das Elektron Energie verliert, fällt es auf seine vorherige Bahn zurück. Dabei sendet es ein Lichtphoton aus. Der Schlüssel zur Erzeugung von Licht liegt also darin, Atome ausreichend anzuregen, um Elektronen aus ihren Bahnen zu schlagen.
Wenn in Leuchtstoffröhren Elektrizität durch die Elektroden fließt, erzeugt sie eine Ladung, die dazu führt, dass freie Elektronen durch die gasgefüllte Röhre von einer Elektrode zur anderen wandern. Diese Energie verdampft einen kleinen Teil des Quecksilbers in der Röhre. Elektronen und Ionen (geladene Atome) kollidieren mit gasförmigen Quecksilberatomen, die wiederum ultraviolette (UV) Photonen freisetzen.
Da der Mensch UV-Licht nicht sehen kann, gibt es einen weiteren Schritt in der aufwendigen Konstruktion von Leuchtstofflampen. Ihr Schlüssel liegt in der Phosphorbeschichtung, die das innere Glasrohr auskleidet. Wenn Phosphor UV-Licht ausgesetzt wird, absorbiert er die Energie und strahlt sie als sichtbares Licht wieder ab. Hier zeichnen sich Leuchtstofflampen gegenüber Glühbirnen aus, da die in einer herkömmlichen Glühbirne als Verlustwärme verschwendete UV-Energie stattdessen in sichtbares Licht umgewandelt wird.
Da Atome mit einer neutralen Ladung im Allgemeinen stabil sind und nur geladen oder ionisiert werden, wenn sie ein Elektron aufnehmen oder verlieren, haben Leuchtstoffröhren verschiedene Startmechanismen, um die Kugel in der Röhre ins Rollen zu bringen. Ältere Lampen verwendeten einen Starterschaltermechanismus, der manchmal etwa eine Minute brauchte, um das Gas vollständig zu ionisieren. In der Zwischenzeit würde das Licht flackern. Heutige Glühbirnen haben einen in das Vorschaltgerät eingebauten ionisierenden Auslöser, das kleine Gerät, das den elektrischen Strom steuert, der die Elektroden speist.
Die Struktur eines Atoms bestimmt die Art des erzeugten Photons und damit die Wellenlänge oder Farbe des Lichts. Obwohl Leuchtstoffröhren viel effizienter sind als Glühbirnen und viel länger halten, bevorzugen die Menschen im Allgemeinen das Licht von altmodischen Glühbirnen im Haushalt, da es näher an der roten Wellenlänge liegt. Dadurch wirkt es „wärmer“. Das helle Leuchten von Leuchtstofflampen wird in Richtung des „kühleren“, blauen Spektrums verschoben. Neue Glühbirnen für den Heimgebrauch verwenden oft eine Phosphormischung, die wärmeres Licht liefert als ältere Leuchtstoffröhren.