原子狀態的改變可以通過原子本身吸收或輻射電磁波，使原子從某种定態轉變為另一种定態，稱為躍遷。能級的躍遷必須滿足如下公式：

式中h為普朗克常數，E_m与E_n分別為原子處于第m和第n個定態時原子的能量，V為原子從第m個定態躍遷到第n個定態時吸收或發出電磁波的頻率。(點擊右邊按紐變換定態)

本實驗采用另一种方式控制原子狀態的改變，即用電子轟擊原子，而電子的動能可以通過改變加速電位的方法予以調節。

由熱陰极K發出的電子，經電壓U₂加速后獲得能量為eU₂，并在此空間內与汞原子發生碰撞，設汞原子基態及各激發態能量分別為E₀、E₁、E₂ ···,  則當：

電子与汞原子發生彈性碰撞，電子保持原動能不變，將到達板极A形成板极電流；當

電子与汞原子作非彈性碰撞，汞原子吸收能量后從基態躍遷到第一激發態，而電子失去能量后被反向電場U₃篩去，板极電流急劇減小。當

電子能量增加，碰撞后還留有足夠能量克服反向電場到達板极A，形成板极電流，因而板极電流又隨U₂增加而開始上升。可見, 凡滿足式子

板极電流都會相應下跌，而兩相鄰板极電流下跌處的U₂值之差，即為汞原子第一激發電位U₀。

本實驗就是要驗証原子能級的存在并測定汞原子第一激發電位U₀