Né à Hambourg, il fait ses études aux universités d'Heidelberg et de Berlin. Il occupe des chaires de professeur de physique dans plusieurs universités allemandes et américaines. En collaboration avec le physicien allemand Gustav Hertz, Franck conduit d'importantes expériences sur les effets du bombardement d'atomes par des électrons. Pour ces recherches, qui ont permis la vérification expérimentale de la théorie quantique, il obtient conjointement avec Hertz le prix Nobel de physique en 1925. Franck a également apporté de notables contributions à l'étude de la photosynthèse.

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