原子从低能级向高能级跃迁，可以通过吸收辐射的方式来实现，也可以通过具有一定能量的电子与原子碰撞，以能量交换方式来实现。

设电子在电位差为U0的加速电压作用下，获得的动能为eU0。当具有这种能量的电子与气体原子（如汞原子、氩原子）发生碰撞时，如果电子能量少于临界能量（从基态跃迁到第一激发态所需的能量），则发生弹性碰撞，电子能量几乎不变；如果达到临界能量（或达到临界能量的整数倍），则发生非弹性碰撞，这时电子能量给予原子，使其由基态跃迁到第一激发态，相应的加速电位称第一激发电位。继续增加电位到某一值时，电子能量足以使原子电离，该电位称电离电位。

因此，电子与气体原子碰撞，主要分为两类：弹性碰撞与非弹性碰撞。

（1）电子与气体原子弹性碰撞。

假定碰撞前，原子是静止的，其质量记作m，电子的质量记作me。碰撞前电子速度为v，动能为Ek＝mev2/2。根据弹性碰撞前后系统的动能守恒和动量守恒原理，电子在弹性碰撞过程中的能量损失为

因为mem，所以

上式对应的是电子与原子发生正碰的情况。在非正碰情况下，能量损失较式（6－3）给出的值要小。平均来说，可以认为经过一次弹性碰撞，电子损失的能量为

式中，f为远小于1的分数，对于汞原子的情况，f＝5.5×10－6。就是说，电子经历一次弹性碰撞所损失的能量是很小的，而电子的运动方向可以有较大的变化。电子要经历104次以上的弹性碰撞之后，能量才有明显的损失。

（2）电子与气体原子的非弹性碰撞。

电子与气体原子发生非弹性碰撞时，其损失掉的能量用于使原子内部的状态发生变化。对于汞原子，在适当的蒸气压下电子损失的能量为一个确定的数值4.9eV。按照玻尔理论，该能量损失应该等于原子的终态与初态的能量差，因此汞原子至少应该具有这样两个定态，它们之间的能量相差4.9eV。图6－1为从光谱学得到的汞原子能级图。如果把原子基态6s6s·－1S0的能量规定为零（汞原子序号80，最外层6有2个电子），那么6s6p －3P1态（以下简称3P1态）的能量刚好是4.9eV。3P1态的寿命很短，跃迁到3P1态的原子，约在10－8　s之内便通过自发辐射跃迁退回基态。按照玻尔理论，这时应辐射出能量为4.9 eV的光量子，即hγ＝E1－E0＝4.9eV，其波长为253.65nm。夫兰克和赫兹在他们的实验中确实观察到当阴极与栅级电压等于或大于4.9V时，汞蒸气开始发光，并获得了波长为253.65nm的谱线。这说明电子损失掉4.9eV的能量使汞原子从基态跃迁到3P1态。通常把能够使汞原子激发到3P1态的加速电位差，称为汞的第一激发电位。

而6s6p（3P0，4.7ev）和6s6p（3P2，5.47ev）为亚稳态，原子被激发到这两个态后比较稳定，不容易再产生跃迁，故不容易观察到这个吸收。