I 1934 flyttet Frank til fysikk og matematikk instituttet ved Sovjetunionens vitenskapsakademi. Der jobbet han med atomfysikk, hvilket var et nytt felt for han. Han ble interessert i effekten som ble oppdaget av Pavel Tsjerenkov, at ladede partikler som bevegde seg gjennom vann i høye hastigheter ville gi av lys. Sammen med Igor Tamm utviklet de en teoretisk forklaring: effekten skjer når ladede partikler beveger seg gjennom et optisk gjennomsiktig medium raskere enn lysets hastighet i det mediet, hvilket forårsaker en sjokkbølge i det elektromagnetiske feltet. Mengden energi gitt ut i denne prosessen er gitt i Frank-Tamm-formelen.