프랑크-헤르츠 실험(Frank-Hertz Experiment)은 1914년 독일의 물리학자 제임스 프랑크(James Franck)와 굴리엘모 헤르츠(Gustav Hertz)에 의해 수행된 실험으로, 원자 구조와 양자화된 에너지 수준의 개념을 실험적으로 증명한 중요한 연구이다. 이 실험은 원자가 특정한 에너지를 흡수할 때만 여기 상태로 전이할 수 있다는 양자역학의 기본 원리를 확인하기 위해 고안되었다.

실험의 기본 구성은 다음과 같다. 진공 튜브 안에 희소한 수증기(주로 수은)를 포함시키고, 두 개의 전극을 배치하여 전압을 인가했다. 이때 하나의 전극에서 방출된 전자는 가열된 필라멘트를 통해 방출되어 관측 전극으로 이동하였다. 전극 간의 전압을 변화시키면서 전자의 흐름을 측정하였고, 전자의 에너지와 전압 사이의 관계를 분석하였다.

실험의 주요 결과로는 전자들이 수은 원자와 충돌할 때, 특정 임계 전압에 도달한 후에 에너지를 흡수하고 여기에 해당하는 고유의 양자 상태로 전이한다는 사실이 발견되었다. 이 전압을 초과하면 추가적인 전자가 활발히 생성되는 현상이 관측되었고, 이를 통해 원자의 양자 상태가 절대적으로 양자화되어 있음을 입증하였다.

프랑크-헤르츠 실험은 양자론의 발전에 기여하였으며, 아울러 원자 모델에 대한 새로운 이해를 제공하였다. 이 실험은 나중에 보어의 원자 모형을 뒷받침하는 중요한 증거로 작용하였고, 양자역학의 기초 연구에 결정적인 영향을 미쳤다. 이 실험으로 인해 1925년 프랑크와 헤르츠는 노벨 물리학상을 수상하였다.