1914-ben James Franck (1882-1964) és Gustav Hertz (1887-1975) döntő és közvetlen kísérleti bizonyítékot talált az atomi energiaszintek létezésére.

Miközben elektronok mozgását tanulmányozták higanygőzben külső elektromos mező hatására, észrevették hogy amennyiben az elektronok mozgási energiája 4,9 eV-nál nagyobb, a higanygőz 254 nm hullámhosszúságú ultraibolya fényt sugároz ki.

Feltették, hogy a higanyatomnak van egy olyan energiaszintje, amely 4,9 eV-tal magasabban van az alapállapotnál, (a legalacsonyabb energiájú állapotnál). Az atom úgy kerül erre az energiaszintre, hogy egy elektronnal ütközik, az elektron mozgási energiája lecsökken az atom belső energiája megnő.
Nagyon kis idővel a gerjesztés után a higanyatom elektronja újra alapállapotba kerül, miközben egy fotont (egy energiaadagot) sugároz ki. A 254 nm hullámhosszúságú foton energiáját a Planck-formula alapján számíthatjuk ki, melyben a frekvenciát a l hullámhosszból a c fénysebesség segítsével fejezhetjük ki :

amely pontosan megegyezik a felgyorsított elektron kísérletileg meghatározott mozgási energiájával. A Franck-Hertz-kísérlet tehát közvetlen bizonytékát adja a higanyatom 4,9-eV-os energiaszintje létezésének.
Munkájáért Franck és Hertz 1925-ben Nobel-díjat kapott.