夫蘭克在物理學(xué)中的主要貢獻(xiàn)是最早通過電子和原子碰撞實驗直接證實N．玻爾1913年有關(guān)原子定態(tài)假設(shè)的正確性．1912～1914年他和G．L．赫茲（1887～1975）進(jìn)行了一系列實驗，利用電場使熱陰極電子加速，獲得能量，與管中采蒸氣原子發(fā)生碰撞，實驗發(fā)現(xiàn)電子能量未達(dá)到某一臨界值時，電子與汞原子發(fā)生彈性碰撞，電子不損失能量；當(dāng)電子能量達(dá)到某一臨界值時，發(fā)生非彈性碰撞，把電子的一定能量傳遞給汞原子，使后者激發(fā)，可以觀察到汞原子躍遷的發(fā)射譜線．夫蘭克一赫茲實驗的結(jié)果，表明電子的能量只能是一系列離散值．這說用原子的能級是分立的．這是量子理論的直接證明．這一研究成果使夫蘭克和赫茲同獲1925年諾貝爾物理學(xué)獎．

他還研究了電子和原子與分子的碰撞、原子躍遷和原子中的能級、原子系統(tǒng)中的能量在熒光情況下的轉(zhuǎn)移等問題，闡明分子間力與分子光譜的關(guān)系．提出分子中的電子躍過遠(yuǎn)比分子振動迅速；由此導(dǎo)出夫蘭克－康登原理，作為分子電子光譜帶振動結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分布的基本原理．

從1913年開始，夫蘭克（左圖）和赫茲（右圖）合作對電子與氣體原子和分子間的碰撞進(jìn)行了非常精確的研究。1914年，夫蘭克和赫茲利用電場加速由熱陰極發(fā)出的電子，使電子獲得能量并與管中水銀蒸氣原子發(fā)生碰撞。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子能量未達(dá)到某一臨界值時，電子與水銀原子發(fā)生彈性碰撞，電子不損失能量；當(dāng)電子能量達(dá)到某一臨界值時，就發(fā)生非彈性碰撞，電子將一定量的能量傳遞給水銀原子，使其激發(fā)，進(jìn)而便可觀察到水銀原子退激發(fā)時發(fā)射的光譜線。這個事實無可非議地說明了水銀原子具有玻爾所設(shè)想的那種“完全確定的、互相分立的能量狀態(tài)”。因此，這個實驗是玻爾所假設(shè)的量子化能級的第一個決定性的證據(jù)。

夫蘭克-赫茲實驗不僅證實了玻爾提出的原子存在分立能級的假設(shè)，而且改進(jìn)后的實驗裝置還可以直接用來測定兩個分立能級之間的能量差，在歷史上對量子理論的建立有重要意義。