電離平衡と熱平衡を仮定した場合に、あるエネルギー準位をとる粒子の割合を表す式。電離段階$\alpha$でエネルギー準位iにある粒子の密度を$n_i^{\alpha}$、イオン化エネルギーを$I^{\alpha}$、励起エネルギーを$E_i^{\alpha}$とすると、以下の関係になる。

$$ n_i^{\alpha} =n_0^{\alpha + 1} \times N_{\rm e} \frac{g^{\alpha}_i}{g_0^{\alpha + 1}} CT^{-3/2} \times \exp\left[+\frac{(I^{\alpha} - E_i^{\alpha})}{k_{\rm B}T}\right] $$

ここでT は温度、N_e は電子密度、$g_i^{\alpha}$はこの準位の粒子の統計重率で、C=h^3/2×(2$\pi$ m_ek_B)^3/2は定数である。ただし、hはプランク定数、m_eは電子の質量、k_Bはボルツマン定数。サハの電離式も参照。