В 1922 году Густав, используя газовые мембраны, предложил новый метод разделения газовых смесей изотопов, названный масс-диффузией. В 1925 году за «открытие законов соударения электрона с атомом» Густав Герц совместно с Джеймсом Франком был удостоен Нобелевской премии по физике. Это открытие подтвердило квантовую теорию атома датского физика Нильса Бора. Немецкие физики стали первыми учеными, которым удалось непосредственно измерить энергию кванта.
Представляя лауреатов, К. В. Озеен из Шведской Королевской Академии наук заметил: «Еще недавно никто и не помышлял о том, что атом может существовать в различных состояниях, каждое из которых характеризуется определенным уровнем энергии, и что этими энергетическими уровнями определяются спектральные линии… Теория Нильса Бора выдвинула эти гипотезы; методы их экспериментальной проверки разработали Густав Герц и Джеймс Франк».
Позднее Дж. Франк признался, что они не оценили по достоинству фундаментальное значение теории датского ученого – настолько, что даже не упомянули о ней в своей статье. Однако Нильс Бор и его единомышленники поняли всю важность экспериментов немецких коллег и неоднократно ссылались на них в подтверждение своих идей.
С 1920 по 1925 год Густав Герц работал в физической лаборатории на заводе ламп накаливания фирмы «Филипс» в Эйндховене (Нидерланды). «Филипс» была одной из первых частных компаний, финансировавших фундаментальные исследования. В 1925 году немецкий ученый стал профессором физики университета в Галле и директором Физического института при том же университете.
Три года спустя Герц вернулся в столицу Германии, где ему предложили пост директора Физического института при Шарлоттенбургском техническом университете. За время руководства этим учебным заведением нобелевский лауреат разработал газодиффузионный метод разделения изотопов неона и написал другие научные труды.
В 1933 году к власти в Германии пришел Гитлер, но знаменитый физик отказался принести клятву на верность фюреру и в 1934 году был вынужден уйти в отставку. С 1935 по 1945 год Герц возглавлял научно-исследовательскую лабораторию фирмы «Сименс и Хальске» в Берлине. Неясно, почему ученому, отец которого был евреем, а первая жена выступала против нацизма, разрешили занимать столь важный пост.
Еще во время своего визита в США в 1939 году Густав сказал своим друзьям, что уровень физических исследований в Америке весьма высок, но он чувствует, что был бы более полезен в СССР. Герц, видимо, надеялся, что ему и его семье удастся переехать работать в Советский Союз и полностью раскрыть свой потенциал ученого. После Второй мировой войны советские компетентные органы предоставили ему такую возможность.
Журналист С. Пестов в своей книге «Бомба. Тайны и страсти атомной преисподней» пишет, что едва в мае 1945-го отгремели бои в Берлине, как советские физики Харитон и Арцимович в форме полковников госбезопасности с группой