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从18世纪格伦默特(G•H•Grummert)和沃森(W•Watson)发现真空放电现象以后，经过近一世纪，人们才真正开始对真空放电现象进行研究。1859年普吕克尔从该现象中发现了一种射线，1869年希托夫发现这种射线能被磁场偏转，1871年瓦利发现这种射线也能在电场中偏转，1876年哥耳德斯坦经过研究后，把它命名为阴极射线。随着研究的深入，对阴极射线的认识形成了“粒子流说”和
“以太振动说”两派，从此开始了两派之间的激烈争论，他们都在积极为自己的学说寻找证据和理由。
1884年，舒斯特尔认为阴极射线是由高速带负电的粒子构成的，它由管内阴极附近的气体分子离解产生。他进一步表示，利用磁场使之弯曲，就能求出阴极射线的荷质比q/m。
1894年，J•J•汤姆孙使用旋转镜发现，阴极射线的前进速度是1.9×107cm/s，这与电磁波的速度相比实在是太小了。毫无疑问，这是对“以太振动说”的有力反驳。1895年，法国物理学家佩兰将阴极射线收集在金属箱内，该箱显示负电性，从而证明阴极射线承载负电荷。至此，可以说明极射线的“粒子流说”已占据上风，电子的迹象已很明显。但遗憾的是，没有人能抓住这一问题的实质，对此进行周密的考察和分析，致使电子晚了几年才被发现。
1895年11月，伦瑟(W•K•Rontgen)在重做赫兹、勒纳德关于阴极射线的实验时发现了X射线。由于X射线具有重大的实用价值，引起了当时众多物理学家的关注。汤姆孙也带领他的学生卢瑟福进行了研究。他们发现了X射线的重要性质——它能使其通过的气体具有导电性，而且还估算出了导电粒子的个数。与此同时，汤姆孙更加意识到对阴极射线的研究所具有的重大意义。他紧紧抓住勒纳德在1894年所做的铝窗实验，因为如果组成阴极射线的带电粒子具有象舒斯特尔所说的原子或分子那样的大小，它们又何以在穿透金属箔后还能在空气中前进相当的距离呢？经过长时期的冥思苦想后，在1897年初，汤姆孙终于形成了阴极射线是由比原子小得多的负电粒子构成的想法。为了给自己的想法找到证据，他设计了两个新的实验：阴极射线实际运载负电荷的实验及荷质比的测量。
正如前面提到的，佩兰用实验说明阴极射线带负电，但他的实验设计存在缺陷，因为收集在金属箱内的带电粒子有可能不是阴极射线本身，而是它的伴随物。于是，汤姆孙将佩兰实验进行改正。他把阴极射线和金属筒放在各自的玻璃管内，在其接合处留下狭缝。然后，利用磁铁使射线弯曲。结果显示，当阴极射线照到狭缝上时，静电计接受到的电荷猛增，这说明电荷确是来自阴极射线。而且，他由玻璃管所发出的荧光的移动而追踪射线的移动，表明阴极射线的路径与负电荷相同，由此确证，阴极射线运载负电荷。
关于荷质比的测量，因当时用静电场使阴极射线弯曲的实验还未成功，于是汤姆孙让阴极射线打在固体壁上，测量壁温的变化。如果射线粒子的动能全部转化为热，则只要已知固体的热容量，就可以计算粒子的动能。汤姆孙给阴极射线管充入各种气体，又分别采用铝质及铁质的放电电极进行测量，结果都得到阴极射线的荷质比约为1011C/kg。
就在汤姆孙的工作进行得有声有色的时候，他从《哲学杂志》（Philosophical
Magazine）获悉塞曼(P•Zeeman)效应，塞曼在论文中介绍了他所推得的分子内带电粒子的荷质比，其值与汤姆孙测得的阴极射线的荷质比几乎一样。这使汤姆孙大吃一惊，并迅速决定将自己的想法及研究工作报告皇家学会。因此在1897年4月30日的讲演中，汤姆孙阐述了阴极射线是由比原子小得多的负电粒子构成的见解。而汤姆孙并未因此而停止研究工作，他继续尝试用静电场使阴极射线弯曲的实验。赫兹曾在1893年做过此实验，但没有成功。汤姆孙利用在研究X射线过程中所取得的经验，分析得出赫兹失败的原因是放电管的真空度不够高。在技师的协助下，提高真空度后，他终于成功地使阴极射线在静电场作用下弯曲了。于是，汤姆孙将静电场与磁场结合起来重做实验，并由此算出阴极射线的荷质比，结果与前面用测量温升的方法所得的值一样。
他还进一步推测了带电粒子的平均自由程，结果比分子的平均自由程大许多，并且只取决于媒质的密度，而与媒质的化学及物理性质无关。1897年10月，汤姆孙总结了全部研究工作，在《哲学杂志》上发表了论文《论阴极射线》。在这篇论文中，他详细论述了阴极射线由带电粒子构成的学说，且由对荷质比的测量结果表明这种带电粒子可能是一切物质所共有的。这意味着原子还有结构。汤姆孙在文中将这种带电粒子命名为微粒(Corpuscle)。从而指出了“电子”的存在。
汤姆孙虽然用大量的实验事实阐述了存在比原子还小的负电粒子的想法，但他求得的仅仅是e/m值，而且这种微粒比原子还小只不过是推测而已。因此，电子的存在并未立即得到人们的承认。
在汤姆孙报告“电子存在”的同一年，拉摩（J•Larmor）研究塞曼效应后提出：原子是由作轨道运动的负电粒子组成的。1898年，洛仑兹利用已发展的折射率理论得到了负电粒子的电荷跟氢离子的电荷相同的结论。就在这一年，汤姆孙采用他的学生汤森(J•S•E•Townsend)的方法直接用实验测量基本电荷e，其结果为6.5×10-10静电单位，这与汤森测得的氢离子的电荷同数量级。此实验成功后，汤姆孙决心寻找“负电微粒”。他知道若直接采用阴极射线来测量是相当困难的，于是他想到了赫兹1887年发现的光电效应及爱迪生1884年发现的势电发射效应，随用磁场偏转法测量荷质比，证明了光电流及热电发射流都是由构成阴极射线一样的负电粒子组成的。汤姆孙将此结果在1899年的英国科学促进会年会上作了报告，报告的主要内容发表在当年的《哲学杂志》上。他采用“电子”一词来表示他的“负电微粒”，此词原是斯坦尼（G•T•Stoney）在1891年用于表示电的自然单位的。而且他还在报告中明确提出了“电子的发现”，并论述了这种电子是原子的组成部分。到这时，从某种意义上说，电子被真正地发现了。
汤姆孙确证电子存在一年后，即1898年后卢瑟福在剑桥大学用磁场和电场偏转法证明β射线是由电子组成的高速电子流。十六年后，密立根（R•A•Millikan）经过长久的努力测出了比较准确的电子电荷值e=(4.770
+ 0.005)×10-10静电单位。
经过40年，电子的存在才可靠地被确定下来。这期间，无数科学工作者为此付出了艰辛的努力，其中，尤以J•J•汤姆孙的贡献为最大。他的研究工作对电子的确认起到了关键性的作用。 |
