1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885~1962）提出了氢原子模型，认为原子中存在分立能级。该模型在预言氢光谱的观察中取得了显著的成功。根据玻尔的原子理论，原子光谱中的每根谱线表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射，辐射（吸收）的光子能量满足能级差。
1914年，德国物理学家詹姆斯·弗兰克 （James Franck，1882~1964）和古斯塔夫·路德维希·赫兹（Gustav Ludwig Hertz，1887—1975）采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的办法，观察碰撞后电子发生什么变化。通过实验发现，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使电子从低能级激发到高能级，直接反映出原子发生跃迁时吸收和发射的能量是分立的、不连续的，证实了原子能级的存在，从而证明了玻尔理论的正确。玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925年获此奖。
弗兰克-赫兹管是一个具有双栅极结构的充氩四极管，各部分的功能如下：G1主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率；第一栅极G1与阴极K之间的电位差由电源VG1K提供：电源VF加热灯丝F，使旁热式阴极K被加热，从而产生慢电子。扫描电源VG2K加在第二栅极G2和阴极K间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内氩气朝栅极G2运动。由于阴极K到栅极G2之间的距离比较大，在适当的氩气压下，这些电子与汞原子可以发生多次碰撞。电源VG2A在栅极G2和极板A之间建立一拒斥场，到达G2附近而能量小于eVG2A的电子不能到达极板A。极板电路中的电流强度I用微电流表来测量，其值大小反映了从阴极K到达极板A的电子数。实验中保持VG1K和VG2A不变，直接测量电流I随加速电压VG2K变化的关系。
图2给出了上述测量中得到的典型I-VG2K曲线。1）在K-G1-G2区间，电子边从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当电子携带的能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差∆E＝E2-E1时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞过程属于弹性碰撞，如图2中oa段所示，极板电流I呈现单调增加的趋势；2）当电子的能量达到∆E，碰撞电子的能量被氩原子吸收使其激发的概率增加，电子本身的能量在交换中则会减少，这时的碰撞属于非弹性碰撞，∆E称为临界能量。这一过程对应于图2中的ab段，极板电流I因为电子能量减少而逐渐下降；3）继续增大VG2K，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达极板的电子又会逐渐增多，如图2中bc段。
若eVG2K>n∆E则电子在进入G2-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。极板电流I随加速电压eVG2K变化曲线就形成n个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电位差∆V称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差$$\tag{2} ∆E=e∆U $$