Wyrażenie „potencjał krytyczny” to ogólna nazwa wszystkich energii wzbudzenia i jonizacji w powłokach elektronowych atomu. Odpowiadające im stany elektronowe można wzbudzić na różne sposoby, na przykład poprzez niesprężyste zderzenia z elektronami. Jeśli energia kinetyczna elektronu odpowiada potencjałowi krytycznemu, elektron może utracić całą swoją energię kinetyczną w zderzeniu niesprężystym. Do wyznaczania potencjałów krytycznych wykorzystano tu układ eksperymentalny pierwotnie zaprojektowany przez Gustava Hertza.

• Definicja:  Minimalna energia potrzebna do oderwania elektronu z gazowego atomu lub cząsteczki w stanie podstawowym, przekształcając go w dodatni jon.
• Jednostki: Elektronowolty (eV) na atom, lub kilodżule na mol (kJ/mol).
  
  

• Doświadczenie Francka-Hertza: Klasyczne doświadczenie z rtęcią, gdzie elektrony z katody są  przyspieszane w kierunku siatki, a następnie kolektora. Mierzy się prąd w  zależności od napięcia przyspieszającego. Spadki prądu wskazują na  absorpcję energii (jonizację) przez atomy rtęci.
• Metoda elektronowa (spektroskopia elektronowa):  Elektrony o zmiennej energii zderzają się z atomami. Gdy energia  elektronu zderzeniowego osiągnie potencjał jonizacji, następuje  jonizacja (usunięcie elektronu), co rejestruje się spadkiem prądu na  kolektorze.
  
  

• Różne potencjały: Pierwszy potencjał dotyczy neutralnego atomu, drugi - jednowartościowego jonu, trzeci - dwuwartościowego, itd..
• Wzrost potencjałów:  Kolejne potencjały jonizacji rosną, ponieważ elektrony są usuwane z  coraz silniej dodatnio naładowanego jonu, co wymaga więcej energii.
• Właściwości chemiczne:  Wartości potencjałów jonizacji (zwłaszcza pierwszego) są kluczowe dla  przewidywania reaktywności chemicznej pierwiastków (np. cez ma niski,  hel wysoki).
• Potwierdzenie kwantyzacji: Doświadczenia te potwierdzają, że elektrony w atomie zajmują dyskretne poziomy energetyczne.