Vào năm 1897, nhà khoa học người Anh JJ Thomson thực hiện các thí nghiệm chứng minh sự tồn tại của của các electron, mặc dù ông chưa thể nhìn thấy hay tách chúng ra khỏi nguyên tử. Khám phá của ông góp phần mở ra một lĩnh vực mới của khoa học, đó là vật lý hạt.
Vào giữa thế kỷ 19, những người thuyết giảng khoa học thường đi khắp các nơi để giới thiệu cho công chúng một thiết bị đặc biệt, có thể coi là “tổ tiên” của đèn neon. Họ lấy một ống thủy tinh có dây dẫn điện ở hai đầu đối diện, sau đó loại bỏ hầu hết các chất khí bên trong và gắn vào mạch điện cao áp. Kết quả là phần bên trong của ống phát ra ánh sáng huỳnh quang rực rỡ. Các nhà khoa học đề xuất giả thuyết rằng ánh sáng nói trên có nguồn gốc từ một loại tia phát ra từ cực âm [tia âm cực], nhưng bản chất của thí nghiệm không được hiểu rõ cho đến khi xuất hiện công trình nghiên cứu đột phá của giáo sư J.J. Thomson tại Phòng Thí nghiệm Cavendish thuộc Đại học Cambridge(Anh).
J.J. Thomson tiến hành hiệu chỉnh các thí nghiệm trước đó và nỗ lực thiết kế những thí nghiệm mới để khám phá đặc điểm của loại tia bí ẩn phát ra từ cực âm. Ba trong số các thí nghiệm của ông đã cung cấp những hiểu biết mới cho cộng đồng khoa học về vấn đề này. Đầu tiên, trong một biến thể của thí nghiệm mà nhà vật lý Jean Perrin người Pháp thực hiện năm 1895, Thomson chế tạo một cặp ống tia âm cực kết nối với một điện kế. Mục đích của ông là xác định xem nếu bẻ cong chùm tia bằng nam châm thì có thể tách điện tích ra khỏi chùm tia hay không. Do không thể thực hiện điều này nên ông kết luận rằng điện tích âm và chùm tia phát ra từ cực âm bằng cách nào đó bị mắc kẹt với nhau.
Tất cả những nỗ lực trước đây của giới khoa học nhằm bẻ cong các tia âm cực bằng điện trường đều thất bại, vì vậy Thomson nghĩ ra một cách tiếp cận mới trong thí nghiệm quan trọng thứ hai. Đường đi của một hạt điện tích sẽ bị uốn cong khi nó di chuyển qua một điện trường, nhưng điều này sẽ không xảy ra nếu nó được bao quanh bởi một vật liệu dẫn điện. Thomson đưa ra giả thuyết rằng, một lượng khí nhỏ còn sót lại trong ống tia âm cực đang bị chính các chùm tia biến thành một thứ tương tự vật dẫn điện, và ông đã tìm cách loại bỏ gần như toàn bộ không khí ra khỏi ống để kiểm tra giả thuyết của mình. Kết quả là tia âm cực bị uốn cong bởi điện trường. Từ hai thí nghiệm đầu tiên, Thomson rút ra kết luận: “Tia âm cực có bản chất là điện tích âm được vận chuyển bởi các hạt vật chất.”
Tuy nhiên, ông vẫn thiếu dữ liệu thực nghiệm về những hạt này để kết luận chúng thực sự là gì. Do đó, ông thực hiện một thí nghiệm thứ ba để xác định tính chất cơ bản của chúng. Mặc dù Thomson không thể đo trực tiếp khối lượng hoặc điện tích của một hạt, nhưng ông có thể đo mức độ uốn cong của chùm tia âm cực do từ trường gây ra và mức năng lượng chúng mang theo. Dữ liệu này giúp ông tính được tỷ số giữa khối lượng của một hạt với điện tích của nó (m/e). Kết quả cho thấy, tỷ số giữa khối lượng và điện tích của các hạt trong chùm tia âm cực nhỏ hơn một nghìn lần so với nguyên tử hydro tích điện. Các thí nghiệm của Philipp Lenard và nhiều nhà nghiên cứu khác trong hai năm sau đó xác nhận tia âm cực có bản chất là các hạt mang khối lượng, nhưng nhỏ hơn nhiều so với bất kỳ nguyên tử nào.
Thomson tóm tắt những phát hiện của mình trong các thí nghiệm vào năm 1897 thành ba giả thuyết chính: (1) Tia âm cực là các hạt tích điện, thứ mà ông gọi là “tiểu thể” (Thuật ngữ electron được nhà khoa học G. Johnstone Stoney sử dụng lần đầu tiên vào năm 1891 để biểu thị đơn vị điện tích trong các thí nghiệm truyền dòng điện qua hóa chất. Năm 1897, nhà vật lý người Ailen George Francis Fitzgerald đề nghị sử dụng thuật ngữ này để thay cho cách gọi “tiểu thể” của Thomson); (2) Các tiểu thể là thành phần cấu tạo của nguyên tử; (3) Các tiểu thể là thành phần duy nhất của nguyên tử.
Kết luận của Thomson ban đầu gặp phải sự hoài nghi đáng kể của các đồng nghiệp. Một nhà vật lý nổi tiếng từng tham dự bài giảng của ông tại Viện Hoàng gia Anh thậm chí còn công khai phản bác kết quả nghiên cứu của ông. Không lâu sau, giới khoa học dần chấp nhận hai kết luận đầu tiên, trong khi các thí nghiệm sau đó của Ernest Rutherford và nhiều nhà nghiên cứu khác đã chứng minh điều thứ ba không chính xác.
Cụ thể vào năm 1911, Rutherford phát hiện hạt nhân nguyên tử khi thực hiện thí nghiệm bắn phá một lá vàng mỏng bằng chùm hạt alpha phát ra từ radium. Tháng 3/1911, Rutherford trình bày kết quả nghiên cứu tại một cuộc họp của Hội Văn học và Triết học Manchester. Tháng 5/1911, Rutherford xuất bản một bài báo về việc khám phá hạt nhân nguyên tử trên tạp chí Philosophical Magazine. Trong đó, ông đề xuất mô hình hành tinh nguyên tử với nội dung cơ bản như sau: (1) Nguyên tử gồm một hạt nhân chiếm thể tích cực nhỏ ở chính giữa, tại đó tập trung điện tích dương và gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử, (2) Xung quanh hạt nhân có các electron chuyển động theo quỹ đạo giống như các hành tinh quay quanh Mặt trời. (3) Tổng điện tích âm của các electron bằng tổng điện tích dương của hạt nhân nên bình thường nguyên tử trung hòa về điện.
Bản chất của electron thực ra hơi khác so với những gì Thomson tưởng tượng. Nó hoạt động giống như hạt trong một số điều kiện và giống như sóng ở các điều kiện khác – một hiện tượng không được giải thích cho đến khi lý thuyết lượng tử ra đời. Các nhà vật lý cũng phát hiện electron chỉ là thành viên phổ biến nhất trong số các hạt cơ bản khác trong tự nhiên.
Công trình nghiên cứu của Thomson khiến ông được công nhận là “cha đẻ của electron”. Đó là nền tảng cho nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quan trọng khác trong tương lai, đồng thời mở ra góc nhìn mới về cấu tạo của nguyên tử. Những hiểu biết về tính chất và đặc điểm của electron giúp con người phát triển nhiều công nghệ hiện đại sau này, bao gồm hầu hết các thiết bị tính toán, truyền thông và giải trí.