เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (Sir Loseph John Thomson) ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซในหลอดรังสีแคโทดและ นอกจากนี้ยังมีนักวิทยาศาสตร์อื่น ๆ ที่สนใจเกี่ยวกับเรื่องนี้ เช่น ยูจีน โกลด์สไตน์ (Eugene Goldstein) และวิลเฮล์ม วีน (Wilhelm Wein) ซึ่งได้ทำการทดลองเกี่ยวหลอดรังสีแคโทด

โดยทอมสัน ได้ ดัดแปลงลักษณะของหลอดรังสีแคโทดจากเดิมเล็กน้อย เช่นมีการเติมฉากเรืองแสงไว้ในหลอดรังสีด้วย ดังในรูป และทอมสันได้นำผลการทดลองในลักษณะต่าง ๆ มาสรุปเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอม โดยทำเป็นขั้น ๆ ดังนี้

1. บรรจุก๊าซชนิดหนึ่งในหลอดรังสีแคโทดที่ภายในมีขั้วไฟฟ้าแอโนด และแคโทดต่ออยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ศักย์สูง ที่ขั้วแอโนดเจาะรูเล็ก ๆ ตรงกลาง และปลายด้านหนึ่งของหลอดรังสีมีฉากเรืองแสง ก. ทำด้วย ZnS วางไว้ นำหลอดรังสีนี้ต่อเข้ากับเครื่องสูบสูญญากาศ

      ในตอนแรกความดันในหลอดแก้วมีมาก จะยังไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่ฉากเรืองแสง แม้ว่าจะใช้ศักย์ไฟฟ้าสูง ๆ เมื่อลดความดันในหลอดแก้วให้ต่ำลงมาก ๆ จนเกือบเป็นสุญญากาศ จะพบว่ามีจุดเรืองแสง หรือมีจุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก.

เนื่องจาก ZnS มีสมบัติพิเศษคือ ถ้าอนุภาคมีประจุมากระทบจะทำให้เกิดการเรืองแสงขึ้น ดังนั้นจากผลการทดลองทำให้ ทอมสันตั้งสมมติฐานว่า

จะต้องมีรังสีชนิดหนึ่งซึ่งมีประจุไฟฟ้าพุ่งเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดมายังฉากเรืองแสง ก. ซึ่งรังสีนี้อาจจะเกิดจากก๊าซที่มีอยู่ในหลอดแก้วนั้น หรืออาจจะเกิดจากโลหะที่ทำขั้วไฟฟ้าก็ได้ ซึ่งทอมสันยังไม่ทราบ

รวมทั้งยังไม่ทราบว่ารังสีที่พุ่งออกมานั้นมีประจุเป็นอย่างไร แต่ี้ทอมสันได้คาดว่าอะตอมคงจะไม่ใช่เป็นทรงกลมตันดังแบบจำลองของดอลตันแน่ แต่จะต้องมีอนุภาคเล็ก ๆ ที่มีประจุเป็นองค์ประกอบด้วย

การทดลองเพื่อทดสอบอนุภาคที่เกิดขึ้น

ในการทดสอบว่าประจุไฟฟ้าที่มากระทบฉากเรืองแสง ก. เป็นประจุบวกหรือลบ ทอมสันจึงได้ทดลองต่อไปโดยใช้สนามไฟฟ้าเข้าช่วย โดยยึดหลักที่ว่า อนุภาคที่มีประจุจะต้องเกิดการเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า ถ้าอนุภาคนั้นมีประจุบวกจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วลบของสนามไฟฟ้า และถ้ามีประจุลบจะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก ทั้งนี้ศึกษาการเบี่ยงเบนได้จากฉากเรืองแสง

เมื่อเพิ่มขั้วไฟฟ้าเข้าไป 2 ขั้ว โดยให้ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง มีสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศทางของรังสีดังในรูป

จากการทดลองพบว่า

- จุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก. เบนไปจากตำแหน่งเดิม คือ เบี่ยงเบนขึ้นสู่ด้านบน ซึ่งถ้าลากเส้นจากขั้วไฟฟ้าจะเห็นว่ารังสีนั้นเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า

แสดงว่ารังสีจะต้องประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ เนื่องจากรังสีนี้เคลื่อนที่ออกมาจากขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบ จึงเรียกรังสีนี้ว่า รังสีแคโทด และเรียกหลอดแก้วที่ใช้ในการทดลองว่า หลอดรังสีแคโทด

ข้อสรุปที่ทอมสันได้

- ทอมสันได้ตั้งสมมติฐานขึ้นว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ ที่ส่วนหนึ่งมีประจุลบ

แต่มีประเด็นที่ต้องศึกษาเพิ่มอีก 2 ประเด็นคือ

ประเด็นที่ 1 อนุภาคที่มีประจุลบเหล่านี้ เกิดจากก๊าซในหลอดรังสี หรือ เกิดจากขั้วไฟฟ้า

ประเด็นที่ 2 รังสีแคโทดนี้จะเหมือนกันหรือไม่ จะประกอบด้วยอนุภาคชนิดเดียวกันหรือไม่ ถ้าใช้ก๊าซต่างชนิดกันจะมีลักษณะเหมือนหรือต่างกันอย่างไร

 

ผลการศึกษาเพิ่มเติมของทอมสัน

ทอมสันศึกษาสมบัติของรังสีแคโทดโดยหา อัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของรังสีนั้น ทั้งนี้อาศัยหลักที่ว่านอกจากรังสีแคโทดจะเบี่ยงเบนได้ในสนามไฟฟ้าแล้ว ยังสามารถเบี่ยงเบนได้ในสนามแม่เหล็กด้วย

ในตอนแรกทอมสันได้ ทดลอง

- เปลี่ยนก๊าซชนิดต่าง ๆ ในหลอดรังสีแคโทดแล้วทดลองในทำนองเดียวกัน ปรากฏผลการทดลองได้ผลเหมือนเดิม

- เปลี่ยนชนิดของขั้วไฟฟ้าที่ใช้ทำแคโทดก็ยังคงพบว่าได้ผลการทดลองเหมือนเดิม
( คือจะมีรังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบพุ่งมาที่ฉากเรืองแสง ก. และรังสีเกิดการเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า จึงทำให้ไม่สามารถจะพิสูจน์ว่าอนุภาคที่มีประจุลบนั้นเป็นอนุภาคชนิดเดียวกันหรือไม่)

     ดังนั้นทอมสันจึงได้ทำการทดลองต่อโดยนำหลอดรังสีวางไว้ในสนามแม่เหล็ก ทั้งนี้ในทิศทางของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าดังรูป ในช่วงแรกที่ใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป จุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก. จะเบี่ยงเบนขึ้นด้านบน เมื่อใส่สนามแม่เหล็กเข้าไป และเพิ่มอำนาจสนามแม่เหล็กทีละน้อยจะพบว่าจุดสว่างบนฉากเรืองแสง ก. ค่อย ๆ มีการเบี่ยงเบนน้อยลง คือ จุดเรืองแสงค่อย ๆ กลับมาสู่ตำแหน่งเดิมของตอนที่ไม่มีสนามไฟฟ้า แสดงว่าในขณะนี้ความแรงของสนามไฟฟ้ามีค่าเท่ากับความแรงของสนามแม่เหล็ก จุดสว่างบนฉากเรืองแสงจึงไม่มีการเบี่ยงเบน

เมื่อนำความแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า และความแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่กระทำต่ออนุภาคลบมา คำนวณอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคลบนั้น ปรากฏว่าได้ค่าคงที่เท่ากันทุกครั้ง ไม่ว่าทอมสันจะใช้ก๊าซชนิดใด หรือไม่ว่าจะใช้โลหะใดเป็นแคโทด คือได้

e/m = 1.7 X 10 ⁸ คูลอมบ์/กรัม

จากผลการทดลองและผลการคำนวณ ทำให้ทอมสันสรุปว่า

“อนุภาคลบในรังสีแคโทดจะต้องมีลักษณะเหมือนกัน และอะตอมทุกชนิดย่อมจะมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบเหมือนกัน และเรียกอนุภาคลบนี้ว่าอิเล็กตรอน”

เมื่อทดลองถึงตอนนี้ทำให้ทอมสันสรุปได้ว่า อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด อะตอมของธาตุทุกชนิดจะต้องประกอบด้วยอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่น ๆ ซึ่งในขณะนั้นยังไม่ทราบ