X射线的发现不仅促成了“放射性”的发现，而且促成了电子的发现。发现X射线的伦琴和一些科学家一度十分着迷于阴极射线的本质问题。阴极射线的本质究竟是什么，它是由何种元素构成的？这是他们苦苦思索的问题。围绕着这些问题，出现了截然不同的两种意见：赫兹认为阴极射线不是粒子或粒子流，而是以太波，德国所有的科学家都附和这一观点；克鲁克斯认定阴极射线是一种带电的粒子流，与以太波无关，英国多数科学家对此异口同声地予以声援。就在双方各持己见之时，法国物理学家佩兰以其实验雄辩地证明：阴极射线不是以太波，而是带负电的粒子流。不过，在“粒子”的本质问题上，他又误入歧途：断定这种粒子是气体离子。
与佩兰接力也是踏上佩兰肩膀继续前行的，是英国物理学家汤姆逊。他吸收了X射线研究的成果，在佩兰工作的基础上，于1897年开始对阴极射线作定性和定量的研究。佩兰的实验固然大体上可以证明阴极射线是带负电的粒子流，但他的实验并非完美无缺的：他没有能够提供证据，以证明从阴极发出的带负电的微粒同阴极射线路径相同，这为以太波说留下了空隙。针对佩兰实验的缺陷，汤姆逊巧妙地设计了一个实验装置，用实验证明：阴极射线在电场和磁场作用下同带负电的粒子路径相同。这有力地证明了克鲁克斯的假想是完全正确的：阴极射线的的确确是由带负电荷的粒子组成的，以为阴极射线是以太波的说法是没有根据因而也是站不住脚的。至此，阴极射线究竟是带电的粒子流还是以太波的争论，戛然而止。
汤姆逊的实验内容当然不仅限于此，它发现和证明的东西还有许多。他不仅使阴极射线在磁场中发生了偏转，而且使阴极射线在电场中发生了偏转。在此基础上，他根据这两种偏转的量度，推算出阴极射线粒子的质量与电荷之比m／e(即荷质比的倒数)——其数值约等于氢离子的千分之一。与此同时，他还注意到，无论怎样改变电管中气体的构成成分和阴极材料，阴极射线粒子的荷质比永远保持不变。由此汤姆逊推断，来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是完全相同的，阴极射线粒子与物质成分没有任何关系；阴极射线粒子小于原子，它是构成一切化学元素的物质，是一切化学原子的构成成分。无论这些“推断”是怎样的合乎情理和合乎逻辑，但它毕竟还是“推断”，不经过科学的“实验”仍然不够完美。而且从理论上讲，阴极射线粒子的荷质比约等于氢离子的千分之一，这存在着两种可能：一是电荷(e)很大，二是质量(m)很小。意识到这个问题后，汤姆逊与其学生一道，用云雾法测定阴极射线粒子的电荷同电解中的氢离子所带的电荷是同一数量级，这就直接证明：阴极射线粒子的质量只是氢离子的千分之一。这构成一切原子的粒子，当初汤姆逊命名为“微粒”(corpuscle)，后来汤姆逊改称为“电子”。
科学总是走在时代的前面，汤姆逊这过于新颖的电子理论一时难以为社会所认可，其重要性也没有被人们立即认识。但“金子总是要发光的”，电子理论不久即引起强烈的社会反响，汤姆逊所主持的卡文迪许实验室也因此成为世界著名的物理实验中心。
2000多年以来，人们一直认为原子是构成物质的最小单位——希腊文中的“原子”一词ajuos意为“不可分”，这个观念历经2000余年后宣告土崩瓦解，“分裂原子”成为当时科学领域中最具震撼力的时代呼号。