בשנת 1913 ביצעו ג'יימס פרנק וגוסטב הרץ ניסוי המבוסס על שפופרת קתודית, עליו הם זכו בפרס נובל בפיזיקה בשנת 1925. הם השתמשו בשפופרת קרן קתודית שבתוכה הותקנה רשת, שעליה ניתן להפעיל מתח חשמלי, וכך להאיץ את האלקטרונים הנפלטים מהקתודה. פרנק והרץ, בשלב הראשון, מדדו את זרם האלקטרונים דרך הקתודה כפונקציה של האנרגיה הקינטית שלהם וקיבלו תלות חלקה וקבועה. בשלב השני הם הוסיפו לשפופרת אדים של כספית, וחזרו על הניסוי. במקרה זה הם גילו שהזרם המתקבל דרך הקתודה איננו פונקציה חלקה, כמו שניתן לראות באיור, אלא מראה התנהגות של עליות וירידות.
ההסבר להתנהגות זו נובע מההתנגשויות שבין האלקטרונים לבין אטומי הכספית. כל עוד האנרגיה של האלקטרונים נמוכה, ההתנגשויות ביניהם לבין אטומי הכספית יהיו אלסטיות, כלומר התנגשויות שבהם האלקטרונים לא מאבדים אנרגיה, אלא רק מוסטים ממסלולם, ולכן הזרם על הקתודה לא ישתנה. אולם, כאשר האנרגיה של האלקטרונים מספיק גבוהה, האלקטרונים יכולים לעורר את אטומי הכספית בהתנגשויות פלסטיות, ובשל כך לאבד אנרגיה. כתוצאה מכך, הזרם דרך הקתודה יפחת. אנרגיית הסף לעירור אטומי הכספית מתאימה למעבר רמות האנרגיה בתוך אטום הכספית.
הניסוי סייע לאשש את מודל האטום של בוהר שנוסח זמן קצר קודם לכן. למעשה ניסוי זה היה הניסוי הראשון שלא בא מתחום הספקטרוסקופיה שהראה שלאטומים יש מבנה של רמות אנרגיה.
^Stefan L. Wolff: Juden wider Willen – Wie es den Nachkommen des Physikers Heinrich Hertz im NS-Wissenschaftsbetrieb erging. Jüdische Allgemeine. 2008-01-04.
