夫兰克－赫兹实验原理如图6－2所示。

由阴极K发射的电子在G1、K间电压VG1K的控制下，进入G1、G2空间，经G2、K间加速电压VG2K的加速获得一定的能量。由于G1、K间隔小，电子主要在G1、G2间与气体原子发生碰撞并交换能量，G2、A间有一截止电压VG2A。当电子通过K、G2空间进入G2、A空间时，如果仍有较大能量就能冲过反电场而到达电极A，成为通过电流表的电流IA。对于那些能量不是原子第一激发能量整数倍的电子，因为在与原子进行弹性碰撞时损失能量甚小，因此可以到达电极A。对于那些能量是原子第一激发能量整数倍的电子，将与原子发生非弹性碰撞失去绝大部分能量，以致过栅极G2后已不足以克服反电势，从而达不到A，因而无电流流过电流计。这样随VG2K的增加，板极电流IA会出现明显的起伏变化，从IA的峰点（或谷点）对应的值即可求得原子的第一激发电位。

图6－3为汞原子第一激发电位测量曲线。图中显示当G2、K间的电压由零逐渐增加时，A极电流多峰变化曲线。峰和峰之间的电压相差都是4.9V。从实验曲线可以看出，板极电流IA的下降并不是急剧的，IA极大的“峰”总有一定的宽度，这主要是由于从阴极发出的电子能量服从一定的统计分布。同时板极电流IA并不降为零，主要是电子与原子之间的碰撞有一定的几率分布，会有部分电子逃避了碰撞，加速电压越大，逃避碰撞的电子越多。