W roku 1894 John Thomson badał zjawisko promieni katodowych. Starał się wyznaczyć ich prędkość, która mogła wiele powiedzieć o ich strukturze. Do podjęcia tych badań skłoniło go odkrycie odchylania przez pole magnetyczne promieni katodowych. Gdyby były one falami elektromagnetycznymi ich odchylenie można byłoby tłumaczyć istnieniem ziarnistej, powiązanej z polem magnetycznym struktury eteru, w którym fale te miały się przemieszczać. Koncepcja ta nie podobała się jednak Thomsonowi. Chciał on wykazać, że pomimo zdolności do pobudzania szkła do świecenia, promienie te nie są jakimś rodzajem światła nadfioletowego, jak sugerowali niektórzy inni uczeni.
Na rurze, w której badał pole magnetyczne promieni katodowych, zaznaczył, rysując rysy na sadzy pokrywającej całą rurę, kilka punktów. Następnie przy pomocy bardzo szybko wirującego zwierciadła obserwował światło przechodzące przez te rysy. Tym sposobem mierzył czas, po jakim do świecenia były pobudzane dane punkty rury. Dzięki temu doświadczeniu wyznaczył prędkość poruszania się promieni katodowych. Prędkość ta według pierwszego z doświadczeń miała wynosić 200 000 metrów na sekundę, czyli 1500 razy mniej od prędkości światła (wynik ten z niewiadomych względów były znacznie zaniżony). Doświadczenie to pchnęło naukowców do przeprowadzania kolejnych eksperymentów nad strukturą pole magnetyczne promieni katodowych.
W 1895 roku Jean Perrin starał się wyznaczyć ładunek przenoszony przez promienie katodowe. Naukowiec umieścił kolektor ładunku elektrycznego wewnątrz rury. Promienie katodowe wychodzące z katody K wpadały przez otwór H znajdujący się na anodzie i częściowo padały na kolektor Perrin odkrył, że kolektor naładował się ujemnie. Aby potwierdzić, iż to promienie katodowe ładują go, naukowiec wykorzystując pole magnetyczne odchylał wiązkę promieni tak, że nie docierała ona do kolektora. W tym wypadku ładunek nie gromadził się na nim. Tak więc Perrin udowodnił, że promienie katodowe przenoszą ładunek ujemny.
Rok później John Thomson biorąc pod uwagę dowód Perrina i zasięg promieni katodowych w powietrzu (w warunkach normalnych około 1 cm), zakładając że mają one strukturę cząsteczkową, stwierdził iż promień tych cząsteczek musi być bardzo mały (przekrój czynny ich powinien być 105 razy mniejszy od cząsteczki powietrza). Postawił również tezę, że skoro cechy promieni katodowych nie zależą od rodzaju gazu zawartego w rurze i składają się z cząsteczek znacznie mniejszych od atomów, to cząstki te wchodzą w skład wszystkich atomów.
W 1896 roku Thomson przeprowadził doświadczenie, w czasie którego ustalił zależność ładunku cząstki do jej masy (q/m). Aby to zrobić skierował wiązkę promieni katodowych na kolektor. Wiązka ta przekazywała kolektorowi swój ładunek oraz ogrzewała go. Thomson znał masę kolektora, jego ciepło właściwe i przyrost temperatury. Na tej podstawie mógł wyznaczyć ilość energii cieplnej. Pomiaru temperatury kolektora dokonał przy pomocy lekkiej termopary przymocowanej do niego. Naukowiec zmierzył (bardzo czułym elektrometrem) całkowity ładunek zgromadzony na kolektorze.
Całkowity ładunek - Q zgromadzony na kolektorze można wyliczyć znając ładunek jednej cząstki - q i ilość cząsteczek padających na przyrząd - n:
(1)
Trzeba przy tym oczywiście założyć, że każda cząsteczka "przylepia się" do kolektora - oddaje mu ładunek i nie powoduje wtórnej emisji cząsteczek (Thomson uziemił osłaniającą kolektor elektrodę).
Cząsteczka "przylepiając się" do kolektora przekazuje mu swoją energię kinetyczną - E ogrzewając go. Energia n cząsteczek padających na przyrząd jest równa:
(2)
Po podzieleniu równania (1) przez (2):
(3)
Z drugiej strony wiązkę promieni katodowych można odchylić przy pomocy pola magnetycznego - cząsteczki poruszają się po torze, który jest częścią obwodu koła. Czyli pole magnetyczne musi działać na naładowane cząsteczki pewną siłą. Jeżeli przyjmie się, że każda cząstka ma masę m, ładunek q i prędkość v, i że poruszają się w polu magnetycznym o natężeniu B po torze o promieniu krzywizny R dostaje się dwa równania:
(4)
(siła działająca na cząstkę z równania opisującego magnetyczną składową siły Lorentza)
(5)
(siła dośrodkowa w ruchu po okręgu)
a więc:
(6)
lub
(7)
Mając równania (3) i (7) Thomson wyliczył prędkość promieni katodowych rzędu 2.4*107 metrów na sekundę (znacznie większa od tej, do której doszedł w 1895 roku), oraz stosunek ładunku do masy pomiędzy 1,0 a 1,4*1011 kulombów na kilogram.
Tak niedokładny wynik wiązał się z dużą niedokładnością pomiarów - o części założeń była mowa już wcześniej, innymi były założenia mówiące o tym, iż cała energia cząstek musi być zamieniana na energię cieplną kolektora, żadna część tej energii cieplnej nie może być przekazana do otoczenia. Poza tym pomiary bardzo małych wielkości przy pomocy sprzętu, którym dysponował Thomson musiały być obdarzone sporym błędem.
Thomson podał również inną metodę wyznaczenia tych wielkości. W tym celu zastosował połączenie dwóch pól - magnetycznego i elektrycznego tak aby na cząstkę działały siły - magnetyczna skierowana do góry i elektryczna skierowana przeciwnie - do dołu (rys. 2).
Jeżeli natężenie pola elektrycznego wynosi E to siła działająca do dołu na cząsteczkę o ładunku q wynosi:
(8)
Natomiast jeżeli natężenie pola magnetycznego wynosi B to siła skierowana do góry wynosi:
(9)
Przyrównując prawe strony tych dwu wzorów (gdy wiązka nie jest odchylana do góry, ani do dołu) jest:
(10)
więc:
(11)
Zgodnie z tym drugim sposobem Thomson uzyskał q/m = 0,77*1011 kulombów na kilogram. Wynik znacznie się różnił od tego otrzymanego pierwszym sposobem. Błąd ten został spowodowany dużą niedokładnością pomiarową.
Uczony przyjął, że w przybliżeniu q/m = 1*1011 kulombów na kilogram.
Thomson nie wiedział jakie wartości konkretnie mają q i m -znał tylko ich stosunek (q/m lub m/q). Znał również stosunek m/q wodoru, który był znacznie większy od tego pierwszego. Tak więc albo q elektronu było większe od q wodoru albo m elektronu było mniejsze od m wodoru. Naukowiec biorąc pod uwagę wielkość cząsteczki uważał, iż to masa elektronu jest bardzo mała.
Wyniki swojego doświadczenie uczony opublikował w 1897 roku.
Wykazanie istnienia elektronów i stwierdzenie ich niedużych rozmiarów spowodowało, iż Thomson sformułował hipotezę, zgodnie z którą stwierdził, iż atom jest podzielny i składa się z jakiś mniejszych cząsteczek. Stworzył wizję atomu jako dodatnio naładowanej kuli, w której umieszczone są ładunki ujemne (model "ciasta z rodzynkami"). Pogląd ten utrzymał się do 1911 roku, kiedy to Ernest Rutherford zbudował swój "planetarny" model atomu.
Równolegle do Thomsona stosunek q/m otrzymał Niemiec Walter Kaufmann. Badał on rury próżniowe wypełnione różnymi gazami znajdującymi się pod różnymi ciśnieniami. Wierząc w to, iż promienie katodowe zbudowane są z naładowanych atomów gazu, naukowiec spodziewał się, że wartości q/m różnych gazów będą różne. Jednak doświadczenie wskazywało, iż q/m nie zależy od gazu. Kaufmann nie domyślał się co ten fakt mógł oznaczać. I mimo, że wartość q/m podana przez niego była dokładniejsza niż wartość Thomsona, to właśnie Thomson jako pierwszy stwierdził, iż promienie zbudowane są z cząstek nowego rodzaju - elektronów.
