1897 年，電子的發現最先敲開了通向基本粒子物理學的大門，它宣告了原子是由更基本的粒子組成的，並預告著物理學新時期的即將到來。大家知道，電子是在它被發現之前命名的。在 19 世紀中期已有人提出了電子理論，但當時並沒有引起人們的廣泛重視，直到 1896 年洛倫茲的電子理論解釋了塞曼效應，尤其是 1897 年湯姆生（J.J.Thomson，1856—1940）在他那有名的實驗中，測定了陰極射線的電荷與質量的比值 e／m（後來稱做電子的「荷質比」），並通過在卡文迪許實驗室進行的電磁場偏轉實驗和威爾孫雲室的軌跡觀察，最終確認了電子，從而使電子理論在物理學界引起了人們極大的重視，並為現代物理學的發展起了重大的促進作用。電子的發現與湯姆生的名字是緊緊聯繫在一起的。
一、湯姆生的生平簡介
湯姆生 1856 年 12 月 18 日出生在英國的曼徹斯特市郊，他的父親是一個圖書銷售和出版商。由於職業的關係，他父親結識了曼徹斯特大學的一些教授，這使湯姆生從小就受到科學家的影響，並養成了勤奮好學的習慣。經過努力，湯姆生 14 歲時就進入曼徹斯特的歐文斯學院學習。不幸的是，在他 16 歲的時候，他的父親去逝了，這給他家庭帶來了很大的困難，但他對學習仍不放鬆。在歐文斯學院教師雷諾茲的指導下，和他的刻苦鑽研，學業有了很快提高。
湯姆生最初的志向是成為一名工程師，但這個願望隨著他父親的去逝，變得不再可能。因為那時候，想成為一名工程師，必須先與某一個工程公司建立一種關係，並要付出一筆豐厚的中介資金。由於湯姆生家裡沒有足夠的錢供給他，所以他不得不放棄當工程師的願望。然而，湯姆生在歐文斯學院 3 年的學習期間，數學成績極為出色，在雷諾茲老師的教導下，養成了「寧可獨立思考也不查閱文獻」的研究新問題的習慣。後來，他又轉到劍橋大學的三一學院學習，24 歲時獲得了學士學位。由於他學業成績優異，特別是數學成績名列第二名，從而成為第二個獲得斯密斯獎學金的人。在他拿到數學學位之後，進入由瑞利教授領導的卡文迪許實驗室工作。從此便開始了他一生勤奮努力的科研生涯，並在後來的科學研究中取得了很大的成就。他的第一篇重要論文是關於麥克斯韋電磁理論在帶電球體的運動中的應用。文中指出，帶電球可以具有電荷產生的表現附加質量，其大小與靜電能量成正比，這是朝向愛因斯坦著名的質能等價定律邁出的第一步。此後，他的研究成果不斷問世。在 1883 年至 1936 年間，他發表了大量的科學論文、著作，其中包括 1884年發表的《論渦旋的運動》（渦旋的理論文章不僅使他得到獎金，而且導致他開始進行氣體放電的實驗研究工作）、1892 年發表的《電學與磁學的新近研究》、1897 年發表的《氣體的放電》、1927 年發表的《化學中的電子》、1936 年發表的《重集合與反射》等。而 1897 年的《氣體的放電》是他最重要的著作之一，他在實驗中，通過大量對陰極射線的實驗研究，測定了電子的荷質比，從實驗上發現了電子的存在。後來他又發現了電子的許多性質，指出電子像氣體中的導電體，又像原子中的組分。他同阿斯頓合作，找到了有力的證據，證明元素氣體氖至少有兩種不同重量的原子。1912 年，他通過對某些元素的相隧射線的研究，指出了同位素的存在。由於他在氣體放電理論和實驗研究方面所做出的巨大貢獻，獲得了 1906 年度的諾貝爾物理學獎，並作了題為《負電的載流子》的獲獎演說。他被科學界譽為「一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人」。此外，由於湯姆生的非凡能力和科學貢獻，他一生中擔任過許多重要職務並獲得許多榮譽。早在 1884 年他就接替瑞利擔任了卡文迪許實驗室教授（即實驗室主任）；1905 年至 1918 年，他在「大不列顛皇家研究院」擔任自然哲學教授， 1908 年被封為勳爵， 1909 年被選為大不列顛協會會長，1912 年獲得梅裡特勳章，1916 年至 1920 年被選為皇家學會會長，1918 年以後，成為劍橋大學三一學院院長並辭去卡文迪許實驗室教授職務，擔任榮譽教授，繼續在卡文迪許實驗室工作，並指導青年研究生，直至 1940 年 8 月 30 日逝世。
湯姆生既是一位理論物理學家，又是一位實驗物理學家，他一生所做過的實驗是無法計算的。他一生的科研成就與他的重實驗、講理論、強調理論與實驗相結合是分不開的。他不僅是位科學巨匠，還是一位優秀的導師。他在擔任卡文迪許實驗物理學教授及實驗室主任的 34 年間，培養出了眾多的青年科學家。他對學生要求非常嚴格，要求他們在研究之前，必須學習好所需要的實驗技術和有關理論；進行研究所用的儀器必須自己動手製作，開動腦筋。他認為大學應是培養會思考、有獨立工作能力人才的場所，而不是用「現成的機器」製造出「死的成品」的工廠。他要求學生不僅是實驗的觀察者，更是實驗的設計者。他的教育方法是成功的，在他的學生中，有九位獲得了諾貝爾獎，更多的成了世界各地的科學帶頭人。
湯姆生是一位同時在科學研究、科學教育領域裡做出巨大貢獻的偉人。然而，他的成就來源於什麼呢？他的兒子G·P·湯姆生（1937 年諾貝爾物理學獎獲得者）在他父親百年誕辰紀念大會上作出了精闢的回答：創造力和熱情。湯姆生在科學研究和科學教育中的極大創造力和極端熱情，使他獲取了巨大的成功，並揚名於世。由於他崇高的聲譽，在他逝世後，骨灰被安葬在英國西敏寺的中央，與牛頓、達爾文、開爾文等偉大科學家的骨灰安放在一起。
二、電子的發現
1858 年「陰極射線」被發現，它是由什麼組成的，一直眾說紛紜，並引起了一場英、法、德科學家的大爭論。由德國一些物理學家組成的論戰一方主張，陰極射線是以太的特殊振動；由英國、法國一些物理學家組成的論戰另一方認為，陰極射線是帶負電的粒子流，問題一直得不到公認。本來，克魯克斯在 1879 年的幾個實驗就足以證明粒子論者的觀點是正確的，但由於當時普遍認為原子不可再分，因而不能解釋勒納德在 1893 年將「陰極射線」引出陰極管外的現象，致使論戰截至倫琴射線發現時還未結束。到 1897 年，湯姆生走上了科學實驗的舞臺，他用不同的方法測定了陰極射線粒子的荷質比，證明它們是一種更基本的粒子，導致了電子的發現，以致真相大白。
早在 1881 年，亥姆霍茲在倫敦發表「法拉第講演」時，「電原子」概念就開始進入了法拉第的電解定律。利用這個定律來測量離子的荷質比變得方便起來了。人們特別感興趣的是法拉第常數 F，因為它表示了用多少電量來析出 1 克當量元素。對於一價氫離子，這正好是它的荷質比。我們現在知道，F=9649.4 庫／克當量。對於氫元素，1 克當量等於 1，而它的質量為 NM，它的正離子所帶電量為 Ne，N 表示洛喜米德常數。所以 F=Ne/NM=l/M=9649.4（emu單位），這就是氫離子的荷質比。
而對於陰極射線中電粒子荷質比的測定，就不可能再用電解定律，得尋找新的方法。英籍德國物理學家蘇斯特在 1890 年最先用磁場偏轉陰極射線的方法測得電子的荷質比是氫離子的 500 倍，雖然不太精確，但卻指明了方向。直到 1897 年湯姆生才知道蘇斯特的工作，從此開始了他一系列陰極射線實驗中最重要的一步——對陰極射線荷質比的測量，並於 1897 年 4 月 30 日在英國倫敦皇家學院的「星期五晚會」上以《陰極射線》為題作了研究報告，宣布他測定了陰極射線的荷質比，並作出重要結論：陰極射線是由比氫原子小得多的帶電粒子所組成。隨後在《哲學雜誌》上發表了長篇論文，系統地闡述了他採用的兩種實驗方法和得到的結果。
湯姆生的實驗是採用磁場偏轉法，分幾步進行的，實驗原理圖如圖 1 所示。左邊是一個陰極射線管，電子束由陽極的小孔穿出，向右運動，進入磁場，磁場方向由紙內指向紙外。電子束被偏轉向上，打在玻璃管壁上，激發出螢光。我們根據螢光點位置可以算出電子束的曲率半徑p，玻璃管右端裝有一對同心開孔圓筒，內筒接靜電計，用以測量收集到的電量。實驗進行到一定階段，將一接有電流表的熱電偶插入內筒，由此測量電子的能量。實驗分三步進行：第一步測量電量。此時不加磁場和熱電偶，以便讓電子直接打在內筒上。取一時間間隔（如兩秒），讀出靜電計的指示數值，得到電量 Q=ne（n 表示這段時間內到達內筒的電子數）；第二步將熱電偶插入內筒，使之正好擋住它的窗口，經同樣時間（兩秒）後讀電流計，得到溫升值，進而根據熱電偶比熱換算出它所獲得的熱量，再利用熱功當量換算出電子傳給熱電偶的動能 W=nmv2/2。
第三步是測量電子在磁場中軌跡的曲率半徑，為了直觀起見，作磁場部分的示意圖如圖 2 所示。由圖可知，電子軌跡曲徑 2ρ=d2/r+r。
此外 r 表示玻璃管半徑，d 的長度為由電子出射口到它所激發的螢光點的水平距離.這樣就能代入關係式 P=mv／eH（H 表示磁場強度）.
湯姆生根據上述幾種關係推出：l/m=2W/QH2ρ2，v=2W/QHρ。
根據所獲得的 W、Q、H 和 p 的數據，可以算出電子的荷質比 e／m 在1×107～3.1×107之間，電子速度在 2.3×104～4.4×104km／s。可見，湯姆生的第一個實驗測得的電子的荷質比近似等於氫離子的荷質比的 1000～3000 倍。鑑於這種情況，他猜測有兩種可能，一是電子的電荷是氫離子電荷的數千倍；二是電子的質量只是氫離子質量的幾千分之一。這時他無法肯定哪種猜測正確。然而，湯姆生覺得這次實驗誤差太大，他感到最困難的是這種方法牽涉測量的量太多，每一個量都會給結果造成一定的誤差，有的還是很嚴重的，如電量的測量和電子束能量的測量就是這樣。為了提高精度，僅改變實驗程序和提高技術是不夠的，還要從根本上改變實驗方法。於是，他就改用電場和磁場平衡的方法進行第二次實驗。湯姆生第二個實驗的裝置如圖 3 所示。
在他的陰極射線管中有一對金屬板，接電池產生靜電場；還有一對線圈，用來產生靜磁場，靜電場和靜磁場覆蓋同樣長的距離 L。調節電場和磁場大小，以保證從陽極孔筒射出的電子束在通過金屬板時不偏轉（實際是電場使電子束向下偏轉，而磁場使電子束向上偏轉，兩個偏轉力相等而相消）。他推出兩個關係：v=E/H 和 l/m=Eθ/H2L。
這樣就可以根據電場強度和磁場強度算出電子速度，再根據長度 L 和電子束只在電場作用下的偏轉方向的角度 θ 就能算出電子荷質比。θ 的測量和計算是這樣進行的：撤消磁場，保持電場強度不變，通過電子束打在螢光屏上的亮點的位置測量出橫向偏轉距離，再根據由金屬板有端到螢光屏的距離算出 θ 值。湯姆生先後利用空氣、氫氣和二氧化碳作真空管的剩餘氣體進行實驗，發現測量結果與管中剩餘氣體的種類無關。 他所測得的電子束的速度達光速的 7.3 ％～12％，電子的質荷比 m／e 是氫離子的質荷比的 1‰～1.5‰。可見，數量級的關係基本正確，但結果不夠精確。更讓湯姆生不解的是，測量數據中當電子速度大到 3.6×109cm／s 的情況下，電子的質荷比反而小。這一點直到愛因斯坦在 1905 年提出狹義相對論後，他才得知質量與速度的關係。然而，湯姆生在做完這個實驗後仍然不能得知究竟是什麼原因造成陰極射線電粒子的質荷比與氫離子的質荷比相差 1000 倍的原因。他在論文中寫到：「陰極射線的載荷子比起電解的氫離子，其 m/l 值要小的多。m/l 值小的原因可能是 m 小，也可能是 e 大，或兩者兼而有之。我想，陰極射線的載荷子要比普通的分子小，這可從勒納德的結果看出.……在一般大氣壓的空氣中，（陰極射線穿過的）距離約為半釐米，這必定與大氣壓力下載荷子的平均自由路程是可比較的，但是空氣分子的平均自由路程則是數量級與之相差很大的一個量。由此可見，載荷子必定比普通分子小得多」。不過湯姆生很快通過實驗和研究認識到電子質荷比小的原因不在於它所帶電量大，而在於它的質量小。他用不同的金屬材料做陰極，所測得的質荷比相差甚微。他由此判斷，不論什麼樣的陰極材料所發射的帶電粒子均與材料的元素性質無關，它們很可能是組成各類元素原子的一種更深層次的粒子。他在這裡第一次突破了克魯克斯關於陰極射線是由陰極材料發射出的同類帶電原子的思想局限。
在湯姆生從陰極射線的荷質比發現電子以後，為了進一步確證電子存在的普遍性，他廣泛研究了各種現象，其中包括光電效應和愛迪生效應，早在 1887 年光電效應就被赫茲發現了。1899 年，湯姆生運用了一個巧妙的方法來測由光電效應產生的帶電粒子的 l/m。他用一整塊鋅板作光陰極，正極板與之平行，相距約 1cm。紫外光照射在鋅板上，發射出光電子，經電場加速，向正極板運動。整個裝置處於磁場之中，在磁場的作用下光電子做圓弧運動。只要磁場足夠強，光電子必將返回陰極，而使極間電流降為零。湯姆生根據電壓、磁場和極間距離，計算得出 l/m≈0.76×107CGSM/克，也與陰極射線的 l/m 相近，從而證明 β 射線和光電流都是電子組成的。此後，湯姆生再用同樣的方法測量熾熱金屬發出的帶電粒子，得到的荷質比也是一樣的。1884 年，愛迪生在研究白熾燈泡時，發現燈泡裡的白熾碳絲會發出負電，這就是愛迪生效應.但這一負電的本質一直沒有搞清楚，從荷質比的一致性可以判斷，它也是電子組成的。湯姆生在 1906 年出版的《氣體導電》一著中，專題討論和回顧了這些工作。他以大量實驗事實和數據證明不論是陰極射線、β 射線還是光電流都是電子組成的；不論是由於強電場或正離子轟擊、紫外光的照射、熾熱金屬或氧化物中原子的熱運動還是由於放射性物質的自發過程都會發射出同樣的帶電粒子（電子），可見，電子是比原子更基本的物質組成單元，或者說，電子是原子的組成部分。
由以上看出，湯姆生為了證實電子的存在，花費了大量精力，做了很多精闢的實驗，取得了令人嘆服的成果。後來，科學界公認他是「電子的發現者」。