Der nach James Franck und Gustav Hertz benannte Franck-Hertz Versuch wurde zwischen 1911 und 1914 entwickelt, durchgeführt und nachfolgend publiziert. Sie untersuchten Stöße zwischen Elektronen und Atomen und die dabei auftretende Energieübertragung, weshalb der Versuch auch unter dem Namen Elektronenstoßversuch bekannt ist.
Das zentrale Bauteil dieses Versuchs ist eine schwach evakuierte Glasröhre, in der sich drei Elektroden befinden. Die erste Elektrode (Kathode) am unteren Ende der Röhre beinhaltet eine Glühwendel und emittiert Elektronen, die durch ein elektrisches Feld zur zweiten Elektrode in der Mitte der Röhre hin beschleunigt werden. Dazu liegt eine Beschleunigungsspannung UB zwischen den Elektroden an. Die zweite Elektrode wird als Gitter bezeichnet und ist derart gestaltet, dass Elektronen sie leicht passieren können. Am gegenüberliegenden Ende der Röhre befindet sich die dritte Elektrode (Anode). Zwischen dem Gitter und der Anode liegt eine Gegenspannung UG an, sodass die Elektronen hinter dem Gitter durch ein Gegenfeld abgebremst werden. Wenn sie die Anode trotz des Gegenfeldes erreichen, werden die Elektronen als Anodenstrom IA gemessen. Der Aufbau entspricht demnach einer Triode als Elektronenröhre.
Damit die Elektronen auf dem Weg durch die Elektronenröhre Stöße mit Atomen ausführen können, ist diese mit geringem Druck eines ausgewählten Gases gefüllt. Franck und Hertz verwendeten Quecksilber, während heute wegen dessen großer Gesundheitsrisiken im Realexperimenten oftmals das Edelgas Neon verwendet wird. Damit diese Elemente gasförmig vorliegen, muss der Dampfdruck innerhalb der Röhre ausreichend hoch sein. Er wird über die Temperatur geregelt, wozu die Elektronenröhre von außen beheizt werden kann.
Die zu messenden Größen werden in diesem VRE an einem Oszilloskop ausgelesen. Dieses wird dabei über xy- Darstellung der beiden Kanäle als spezielles Spannungsmessgerät betrieben, das die gemessenen Werte grafisch gegen die Eingangsgröße aufträgt. Dazu wird der Anodenstrom mittels eines Messverstärkers (Amplifier) in eine hinreichend große Spannung umgewandelt. Am Oszilloskop wird diese verstärkte Anodenspannung dann gegen die Beschleunigungsspannung graphisch aufgetragen und es ergibt sich ein charakteristischer Verlauf (Drachenrücken).
Franck und Hertz zeigten mit ihrem Versuch erstmals, dass Elektronen Energie an die Atome abgeben, sobald ein bestimmter Schwellenwert einmal oder mehrmals überschritten wird. Der Versuch bestätigte somit die Annahme der Energiequantelung in Atomen, die Niels Bohr 1913 im Zuge der Entwicklung seines neuen Atommodells postuliert hatte. 1925 erhielten Franck und Hertz für diesen Nachweis den Nobelpreis für Physik.