Bohr atom modeline göre, bir atomdaki elektronlar çekirdek etrafında belirli enerji seviyelerinde hareket ederler. Elektronların enerjilerini arttırarak, temel durumda bulunan (çekirdeğe en yakın elektronlar) elektronu daha üst enerji seviyelerine çıkarmak veya atomdan koparmak mümkündür. Temel durumda bulunan elektronu daha üst enerji seviyelerine çıkarmak için yeterli enerji uyarma ve atomdan uzaklaştırmak için gerekli enerjiye ise iyonlaşma enerjisi denir. J. Frank ve G.L. Hertz 1914 yılında yaptıkları deneyle atomların enerji düzeylerinin kesinliğine dair ilk doğrudan kanıtı resimde bulunan deney düzeneği yardımıyla bulmuşlardır.

Düşük basınçta gaz bulunan bir katot ışın tüp içinde, katodun karşısına bir ızgara ve arkasına da yüzeyine ulaşan elektronları toplayarak akım oluşturan bir anot bulunmakta. Toplayıcı elektrot ile anot arasına, katot ile anot arasına uygulanan gerilimin tersi, sabit bir V0 voltajı uygulanmaktadır. Bunun nedeni elektronlar için bir potansiyel duvarı veya engeli oluşturmaktır. Katot ile anot arasına bir voltaj uygulandığında aradaki elektronlar Coulomb kuvveti nedeniyle anoda doğru hareket ederler. Anottan geçen elektronların enerjisi yeteri kadar büyük değilse, elektronlar bu potansiyel duvarını geçemeyeceklerdir. Elektronların enerjileri yeteri kadar büyükse, potansiyel duvarını aşıp toplayıcı elektroda çarparak devreden geçen akımı oluşturacaklardır. Bu durumda V0 voltajı sabit tutulurken katot ve anot arasına uygulanan V voltajı arttırılarak, uygulanan gerilime bağlı olarak devreden geçen akım ölçülebilir. Atomun kurtarımla gerilimi, devreden geçen akımın uygulanan gerilime göre değişimi çizilerek, belirlenebilir.

Cıva buharı için I?f(v) eğrisinden uyarılma enerjileri belirlenebilir. Yukarıda da görüldüğü gibi cıva atomundaki elektronların birinci enerji seviyesi 4,9eV değerini alırken ikinci seviyesi 9,8eV değerini almaktadır. Yani cıva atomunun ger bir enerji seviyesi arasındaki fark 4,9eV?tur. Bu da gösteriyor ki atomlarda elektronlar ancak belli enerji seviyelerinde bulunabilmektedir.

Katot ve anot arasına uygulanan voltaj V0 değerinden küçük olduğu sürece, elektronların enerjileri toplayıcı elektroda ulaşmasına yetmeyeceğinden devreden akım geçmez. V0 değerinden daha büyük V değerlerinde elektronlar potansiyel duvarını geçerek toplayıcı elektroda ulaşacaklarından devreden geçen akım sıfırdan başlayarak artmaya başlayacaktır. Bu durumda elektronlar ile tüp içindeki gaz atomları arasındaki çarpışmalar, enerji, kaybı olmadığından, esnek çarpışmalardır, ancak uygulanan gerilim arttıkça elektronların kinetik enerjileri artar.

Elektronların kinetik enerjileri uygulanan voltaja bağlı olarak öyle bir değere gelir ki, gaz atomunda temel durumunda bulunan bir elektronu bir üst seviyeye çıkartabilecek değere ulaşır. Bu durumda atomdaki elektronlar hareketli elektronların enerjilerini soğurarak bir üst enerji seviyesine çıkar ve devreden geçen akım değeri azalır. Akımın bu değerine karşılık gelen voltaj, gaz atomunun birinci uyarılma enerjisine denktir.Uygulanan voltaj arttırılmaya devam edildiğinde hareketli elektronların kinetik enerjileri yine artmaya başlar ve buna bağlı olarak devreden geçen akım da artmaya başlar. Akımda gözlenen artış ikinci iyonlaşma enerjisine kadar devam edecek, ikinci iyonlaşma enerjisinden sonra akım tekrar azalarak olay bu sırayı izleyecektir.

Frank ve Hertz’in orijinal deney düzeneğinde hızlandırma gerilimi 80 V?a kadar çıkabildiğinden, hızlandırılan elektronların her biri en fazla 4 neon atomu uyarabiliyordu. Tüpün içinde e?it aralıklarla parıldayan, en fazla bu say?da bölge gördüler. Bohr’un kuantum modelini doğrulamışlardı. Bu çalışmalarıyla, “bir elektronun atomla çarpışmasını yöneten yasaları keşfetmiş olduklarından” dolayı. 1925 Nobel Fizik Ödülü’nü aldılar.