伦琴的X射线的发现使气体电离有了一种新方法,提供了对气体离子行为的一种新的洞察能力.汤姆逊开始了那个方向的研究工作,这导致了对自由电子的研究.在1897年,汤姆逊证实了阴极射线的微粒性,测量了粒子的速度和荷质比.汤姆逊在他的实验中使用的二个管子,射线从管中左边的阴极A发出,通过阳极B的一条缝进入第二个管子,可以用一磁铁使射线偏转而进入一种法拉第笼.收集到的电荷是负的.因此证明了阴极射线是带负电的粒子.类似的实验已被J佩兰在法国做过.在一个第二种类型的管子中,C所产生的阴极射线穿过接地的缝A和B,形成了一束狭窄的射线直射到管子的另一端.射线击中管子的电灯泡状端面的地方会有一小块磷光亮斑显现出来.当汤姆逊将两块金属板E和D与电池的两端连结起来时,磷光斑移动了,证明了阴极射线被电场偏转.用一个与电场垂直的磁场,于是他能够用磁学的办法将射线偏转.磁偏转在以前曾被观察到过,但是,JJ．汤姆逊是第一个观察到电偏转的人.明显地缺少了阴极射线的电偏转,这是促使J．J．汤姆逊进行这项研究的首要因素.为什么在阴极射线被研究的几十年中没有人发现过电的偏转?原因是简单的：除非在阴极射线管里有一个好的真空,否则就建立不起电场.低真空是电导体,其中,静电场建立不起来.但是汤姆逊成功了,不仅用如图1．6的装置而且用其他两个装置也成功了.剑桥大学
1897年8月,他写下了现在仍然十分有名的文章.在这篇论文里,他描述了“为了检验荷电粒子的理论”所做的实验,将他的测量结果应用到确定组成阴极射线的粒子的荷质比上去.从同样的实验中,他也导出了粒子的速度.这里是他的推理的一个摘要：由一给定电流携带的总电量Q等于它所有的粒子数N乘每一个粒子的电荷e：Ne=Q 然后,通过测量产生的热的办法来测量由粒子所传输的能量W,这个值必须等于质量为m、速 度为v的这些粒子的动能 1/2Nmυ²＝W 用磁学办法使粒子发生偏转,他知道：mv/e=Bp 这里p是轨道的曲率半径,B是磁场.因为能量,电量,磁场和曲率半径是可测量的,他能推 论出 e/m=2W/(Q²B²p²) 具有值2.3x1017(静电单位电量/克),远大于电解法中离子的荷质比e/m.在他1897年的文章中,汤姆逊叙述了另一个令人注意的观察结果：构成阴极射线的微粒都是一样的,与管内阴极或对阴极或气体的成份无关.这里有一个所有物质的普适成份.稍后,在1899年,他使用他过去的学生C．T．R．威尔逊发展起来的技术和思想,分别测量了电子的电荷和质量.威尔逊已经注意到在适宜的环境下,电荷起着过饱和蒸汽的凝结核的作用.因为水会在它们上面冷凝,这有助于雾的形成.在这样一种由于电荷的存在而形成的雾里,人们可以根据小雾滴下落的速度而计量它们的体积,从沉淀的水的总量或根据最初的过饱和汽算出它们的数目.根据这个数据可以得到雾中所有的小滴子数.根据由雾所传输的总电荷(这是直接可测的)可以发现平均每一个小滴上的电荷与电子电荷相同.卡文迪许实验室
在卡文迪许实验室做的这项工作,得到的电子电荷大约为3x10-10绝对静电单位.根据测量到的e/m值可以求得电子质量.这个“落滴”法后来被R．A．密立根(RAMillikan)(1910)在美国加以改进.他不观察雾,而观察单个的微滴；他将此法变革为一个精确的方法,得到值为4．78x10-10esu的电子电荷.许多年以来,这一直是一个最好的直接测量值.然而在1929年,出乎每个人的意料,发现它竟然有百分之一的误差,比估计可能有的误差大得多.这个差异的起源在于对空气粘滞性的测量有毛病.今天所知的电子电荷值精确度为百万分之三,即4.803242x10-10esu；已知的精确度为百万分之六的e/m是5.272764X10-17esu/g.
电子的发现,按当时实际情况来说是重要的.但是,它却被发生在1895年底的另一项发现冲淡了.这项伟大的发现是由W．C．伦琴(1845—1923)取得的.伦琴由于他宣布了“一种新的射线”和表演了他的射线所能做的事情而使世界感到震惊.