X射線的發現不僅促成了“放射性”的發現，而且促成了電子的發現。發現X射線的倫琴和一些科學家一度十分著迷於陰極射線的本質問題。陰極射線的本質究竟是什麼，它是由何種元素構成的？這是他們苦苦思索的問題。圍繞著這些問題，出現了截然不同的兩種意見：赫茲認為陰極射線不是粒子或粒子流，而是以太波，德國所有的科學家都附和這一觀點；克魯克斯認定陰極射線是一種帶電的粒子流，與以太波無關，英國多數科學家對此異口同聲地予以聲援。就在雙方各持己見之時，法國物理學家佩蘭以其實驗雄辯地證明：陰極射線不是以太波，而是帶負電的粒子流。不過，在“粒子”的本質問題上，他又誤入歧途：斷定這種粒子是氣體離子。
與佩蘭接力也是踏上佩蘭肩膀繼續前行的，是英國物理學家湯姆遜。他吸收了X射線研究的成果，在佩蘭工作的基礎上，於1897年開始對陰極射線作定性和定量的研究。佩蘭的實驗固然大體上可以證明陰極射線是帶負電的粒子流，但他的實驗並非完美無缺的：他沒有能夠提供證據，以證明從陰極發出的帶負電的微粒同陰極射線路徑相同，這為以太波說留下了空隙。針對佩蘭實驗的缺陷，湯姆遜巧妙地設計了一個實驗裝置，用實驗證明：陰極射線在電場和磁場作用下同帶負電的粒子路徑相同。這有力地證明了克魯克斯的假想是完全正確的：陰極射線的的確確是由帶負電荷的粒子組成的，以為陰極射線是以太波的說法是沒有根據因而也是站不住腳的。至此，陰極射線究竟是帶電的粒子流還是以太波的爭論，戛然而止。
湯姆遜的實驗內容當然不僅限於此，它發現和證明的東西還有許多。他不僅使陰極射線在磁場中發生了偏轉，而且使陰極射線在電場中發生了偏轉。在此基礎上，他根據這兩種偏轉的量度，推算出陰極射線粒子的質量與電荷之比m／e(即荷質比的倒數)——其數值約等於氫離子的千分之一。與此同時，他還注意到，無論怎樣改變電管中氣體的構成成分和陰極材料，陰極射線粒子的荷質比永遠保持不變。由此湯姆遜推斷，來源於各種不同物質的陰極射線粒子都是完全相同的，陰極射線粒子與物質成分沒有任何關係；陰極射線粒子小於原子，它是構成一切化學元素的物質，是一切化學原子的構成成分。無論這些“推斷”是怎樣的合乎情理和合乎邏輯，但它畢竟還是“推斷”，不經過科學的“實驗”仍然不夠完美。而且從理論上講，陰極射線粒子的荷質比約等於氫離子的千分之一，這存在著兩種可能：一是電荷(e)很大，二是質量(m)很小。意識到這個問題後，湯姆遜與其學生一道，用雲霧法測定陰極射線粒子的電荷同電解中的氫離子所帶的電荷是同一數量級，這就直接證明：陰極射線粒子的質量隻是氫離子的千分之一。這構成一切原子的粒子，當初湯姆遜命名為“微粒”(corpuscle)，後來湯姆遜改稱為“電子”。
科學總是走在時代的前麵，湯姆遜這過於新穎的電子理論一時難以為社會所認可，其重要性也沒有被人們立即認識。但“金子總是要發光的”，電子理論不久即引起強烈的社會反響，湯姆遜所主持的卡文迪許實驗室也因此成為世界著名的物理實驗中心。
2000多年以來，人們一直認為原子是構成物質的最小單位——希臘文中的“原子”一詞ajuos意為“不可分”，這個觀念曆經2000餘年後宣告土崩瓦解，“分裂原子”成為當時科學領域中最具震撼力的時代呼號。