1.3.1 从五行到原子
琥珀可以摩擦产生静电，这是人类与电子有关的最早的观察，尽管当时人们并不知道这与电子有关，因而使它带有很多神秘的色彩。但是，这却是人类最早以实验方式加以证实了的与物质微观结构有关的记载。只是他们不可能知道电子的真实含义，更无从知道电子只是物质最基本结构——原子中的一个配件而已。而早期人类提出的原子概念与电子不同，没有任何实验和观察作为依据，完全是一种思辨的结论，但却是重要的结论。
面对大千世界，人类不可能不产生各种各样的猜想。无论是遥远星空、广阔大海，还是高山大川、广袤原野，都吸引着人们探寻其中的奥妙。而经由石器时代到青铜时代，再到铁器时代的人类，对这些金属材料和水、土、木、石等各种物料也在积累了大量直观的经验基础上，企图找到这些物质的内在联系。尽管生活在地球各大洲不同的地方，早期人类的生产力发展基本都经历了类似的阶段，也在各自生息的地方，对世界的本源，提出了大体上相同的观点。这就是以现实中人类经常使用的材料为基础所提出的以五行说为代表的宏观元素的观点。
但是，最接近现代人对物质结构认识的并非五行说，而是“原子”这一概念的提出。这是超越当时所有物质观的一种新的构思。
最早提出原子概念的是希腊学者德谟克利特。他的原子论思想的基本要点是认为一切事物的始元是原子和虚空。其余一切都只是幻想。世界上的万物，是有生有灭的，没有任何东西从无中来，无中不能生有，也没有任何东西在毁坏之后归于无。原子在大小和数量上都是无限的。它们在整个宇宙中由于一种旋涡运动而变化着，并因此而形成若干复合物，也就是欧洲早期文明认为的四大元素：火、水、气、土。德谟克利特还认为原子是自然界的实体，一切都从原子产生，一切也分解为原子。宏观世界经常不断地变化乃至毁灭，但是作为一种固定东西的原子本身却始终是物质的基础。
在德谟克利特的古希腊原子论中，物质实体的产生和消灭被解释为微小的坚硬的不可毁灭的粒子的联结和飞散。物质守恒的原理在这里已被认识到（即所谓“无中不能生有”）。
同时，德谟克利特的原子论在原子的相互作用这个重要问题上持决定论态度。“原子的相互作用”被认为是由“必然性”所决定的。这一思想闪耀着朴素的科学求真的光芒。当然，对这种“原子的相互作用”如果要给出科学的实验证明，与原子本身的奥秘被彻底解开一样，需要漫长的历史等待。
德谟克利特出生在希腊东北方的工业城市阿布德拉的一个富商之家。阿布德拉是一个繁华的城市，经济发达，物产丰富。
德谟克利特从小就见多识广。小时候，他曾是波斯术士和星象家的学生，接受了神学和天文学方面的知识，对东方文化有着浓厚的兴趣。他在学习和研究的时候非常专心，经常把自己关在花园里的一间小屋里。一次，父亲从小屋里牵走了一头牛，他都没有察觉。他的想象力很丰富，并且刻意培养自己的想象力，有时他到荒凉的地方去，或者一个人呆在墓地里，以激发自己的想象。
德谟克利特成人后，来到雅典学习哲学，后来又到埃及、巴比伦、印度等地游历，前后长达十几年。他在埃及居住了5年，向那里的数学家学习了3年几何。他曾在尼罗河的上游逗留，研究过那里的灌溉系统。在巴比伦，他向僧侣学习如何观察星辰，推算日食发生的时间。回到故乡阿布德拉后，他担任了该城的执政官。在繁忙的政务之余，他始终没有放弃追求哲学和自然科学知识，在艺术方面也有一定的造诣。
1.3.2 由表及里的探寻之路
尽管德谟克利特第一个提出了原子的概念和基本特性。但是，探寻原子奥秘的道路却漫长而艰辛。从原子概念的提出到真正解开原子之谜，人类经历了上千年的时间。
如果说静电现象的发现只是从物质的表面捕捉到了电子踪迹，而要认识物质的本原，找到原子的踪迹，需要深入到物质的内部，去窥探原子的真实面貌。要达到这一步，需要积累对事物的大量观察和试验。在这上千年的探索中，人类并非都只是消极的等待，而是通过大量的实践和对事物的细致地观察，一步一步地接近着真相。在这漫长的探索过程中，东西方的炼丹家和炼金术士都做出了大量贡献。
只有当神秘让位于科学之后，覆盖在原子表面厚厚的面纱，才被一点点地揭开。
1661年，自然哲学家罗伯特·波义耳出版了《怀疑的化学家》一书。他认为物质是由不同的“微粒”或原子自由组合构成的，而并不是由诸如气、土、火、水等基本元素构成。可以说，波义耳是最早把化学确立为科学的化学家。
波义耳生活在英国资产阶级革命时期，这个时期是近代科学开始出现的时代，也是一个科学人才辈出的时代。波义耳1627年1月25日，生于爱尔兰的利兹莫城。就在他诞生的前一年，提出“知识就是力量”著名论断的近代科学思想家弗朗西斯·培根刚去世。伟大的物理学家牛顿比波义耳小16岁。近代科学伟人，包括意大利的伽利略、德国的开普勒、法国的笛卡儿都生活在这一时期。
波义耳出生在一个贵族家庭，家境优裕为他的学习和日后的科学研究提供了较好的物质条件。童年时，他并不是特别聪明。他很文静，说话还有点口吃，没有哪样游戏能使他入迷。但是比起他的兄长们，他却是最好学的，特别是喜欢读书，常常书不离手。8岁时，父亲将他送到伦敦郊区的伊顿公学，在这所专为贵族子弟开办的寄宿学校里，他学习了3年。随后他和哥哥法兰克一起在家庭教师陪同下来到当时欧洲的教育中心之一——日内瓦，在这里生活了两年。在这两年里，他学习了法语、实用数学和艺术等课程，更重要的是，瑞士是宗教改革运动中出现的新教的根据地，反映资产阶级思想的新教教义熏陶了他。此后，波义耳在实际生活中虽然未参与任何一派，但是他在思想上一直是倾向于革命的。1641年，波义耳兄弟又在家庭教师陪同下游历欧洲，年底到达意大利。在旅途中，即使骑在马背上，波义耳仍然手不释卷。就在意大利，他阅读了伽利略的名著《关于两大世界体系的对话》。这本书给他留下了深刻印象，20年后，他的名著《怀疑的化学家》就是模仿这本书的格式写的。他对伽利略更是推崇备至。
为了确立科学的化学，波义耳考虑到首先要解决化学中一个最基本的概念：元素。最早提出元素这一概念的是古希腊一位著名的唯心主义哲学家柏拉图。他用元素来表示当时认为是万物之源的基本要素：火、水、气、土。这一学说曾在2000多年里被许多人视为真理。后来，医药化学家们提出的硫、汞、盐的三要素理论也风靡一时。波义耳通过一系列实验，对这些传统的元素观产生了怀疑。他指出，这些传统的元素实际未必就是真正的元素。因为许多物质，如黄金就不含这些“元素”，也不能从黄金中分解出硫、汞、盐等任何一种元素。恰恰相反，这些元素中的盐却可被分解。
那么，什么是元素？波义耳认为，只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。例如黄金。虽然黄金可以同其他金属一起制成合金，或溶解于王水之中，但是仍有方法使其恢复原形，重新得到黄金。水银也是如此。
至于自然界元素的数目，波义耳认为，作为万物之源的元素，将不会是亚里士多德的4种，也不会是医药化学家所说的3种，而一定会有许多种。
现在我们知道，波义耳的元素概念实质上是提出了单质的概念。而元素的定义应是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。现在的这种科学认识是在波义耳之后，又历经300多年的发展，直到20世纪初才确立的。从这个角度看，波义耳当时能批判四元素说和三要素说而提出科学的元素概念已很不简单，是认识上的一个了不起的突破，使化学第一次明确了自己的研究对象。
在《怀疑的化学家》一书中，波义耳在明确阐述上述两个观点的同时，还强调了实验方法和对自然界的观察是科学思维的基础，提出了化学发展的科学途径。波义耳深刻领会了培根重视科学实验的思想，他反复强调，“化学，为了完成其光荣而又庄严的使命，必须抛弃古代传统的思辨方法，而像物理学那样，立足于严密的实验基础之上。”波义耳也正是这样身体力行的。波义耳把这些新观点、新思想带进化学，解决了当时化学在理论上所面临的一系列问题，为化学的健康发展扫平了道路。
1.3.3 原子论
1789年，法国著名化学家拉瓦锡发表了《化学基础》。他在这部集他的观点之大成的教科书中，定义了原子一词。从此，原子就成为了表示化学变化中的最小单位。不过，这个时候的原子概念离科学还有一定距离。在这部书里，拉瓦锡也定义了元素的概念。关于他和他论证元素的故事，我们在下一章中有详细的介绍。这里需要强调的是，到1795年左右，欧洲大陆已经基本接受了拉瓦锡的理论。而奠定原子论基础的是自学成才的科学家约翰·道尔顿。
1766年9月6日，道尔顿生于英格兰北方坎伯雷特。父亲是一位兼种一点薄地的织布工人，母亲生了6个孩子，有3个因生活贫困而夭折。道尔顿6岁起在村里教会办的小学读书，刚读完小学，就因家境困难而辍学。但是他酷爱读书，在做农活的空闲还坚持自学。道尔顿从12岁起就靠自己的收入维持生活了。他最初的职业是做学校的教师，同时又是这所学校的创建者。他把村子里的孩子召集在一起，由他这个12岁的老师来授课，有的学生比老师的年龄还要大。这是一所很奇特的学校，只维持两年就停办了。此后，据说道尔顿曾跟随家境相当富裕的叔父出入田间，度过了一段农民生活。这个工作未能使他称心，不久，他到了距离家乡40英里（1英里=1609.344米）的南郊城镇肯达尔工作，在一所教友派学校任教。
到了15岁时，道尔顿的学识已有很大提高，于是他离家来到附近的肯达尔镇上，在他表兄任校长的教会学校里担任助理教师。在这所学校里，他仍然坚持一边努力工作，一边发愤读书，无论是数学、自然科学，还是哲学、文学的书籍，他都广泛涉猎。据说，在这所学校工作的12年中，他读的书比以后50年读的还多。正是这种勤奋学习为他当时的教学和以后的科研奠定了坚实基础。
曼彻斯特是英国产业革命中兴起的纺织工业中心之一，也是新兴的资产阶级和无产阶级的重要活动堡垒。一些来自中下阶层的新派科学家、企业家、商人、工程师、医生及文学家、哲学家自发地组织了以提倡科学和工艺为宗旨的民间科学团体——曼彻斯特文学与哲学学会。他们定期聚会，宣读论文，讨论自然科学、哲学、文学、民法、商业及各种工艺问题，思想很是活跃。在产业革命中做出过突出贡献的一些企业家、科学家、思想家都参加到这一学会中来，学会实际上已成为产业革命的参谋部。道尔顿到曼彻斯特后不久，很快就参加了这一学会的活动。他的研究成果大部分在这个学会的例会上宣读，这个学会的刊物发表了他多达百余篇的论文，道尔顿的科研活动与该学会有着密切的联系。他学识渊博，待人诚恳，作风朴实，大家都很尊重他，1808年人们推选他为学会的副会长，1817年任会长，直到他去世。
道尔顿在曼彻斯特发表的第一篇论文，论述的不是气象问题，也不是物理问题，而是一篇关于色盲的研究文章。说起来，事出偶然。圣诞节时，道尔顿为母亲买了一双深蓝色的袜子表示自己对老人的孝敬。当他送给母亲时，母亲却厉声责问他，为什么买了一双红色袜子。依照当地宗教习俗，妇女禁忌红色。由此道尔顿才发现自己的辨色能力与其他人不同。对此他经过认真的调查，发现他哥哥也和他一样，具有不正常的辨色能力，另有一些人也有这一症状。为此他撰写了论文，提出人类中存在着色盲这一症状。道尔顿的这一发现引起了社会公众的重视，所以在英国将色盲常称为道尔顿症。
随着学识的增加，道尔顿感到要进行深入研究，解决几个科学难题，必须付出更多的时间和精力。为此，1799年，他果断地辞去了学院的繁忙教职，从曼彻斯特文学和哲学会借了一间工作室，又在工作室附近租了一间简陋的民房，开始了他清贫的以科研为主的新生活。据他的房东介绍说，道尔顿的生活很有规律，几乎每天都是一样，早餐前先去实验室生火，吃完早餐后即开始工作，一直干到午餐时才出来，吃罢午餐又继续进实验室工作，一直忙到晚上9点，晚餐后稍作休息，就进房读书至夜半。这种生活就像时钟运转一样有规律，“午夜方眠，黎明即起”成为道尔顿勤奋治学生活的真实写照。功夫不负有心人。勤奋的学习，刻苦的钻研，使道尔顿在攀登科学的道路上取得了一个又一个的成果。长期以来，通过对气象观测和对大气各种问题的思索很自然地引导他去研究气体的物理性质。他用自己亲自动手设计制作的各种器具认真地考察了大气、水蒸气等多种气体和蒸发、压缩、膨胀等物理现象，还对大气的组成、混和气体的状态、气体的扩散、气体在水中的溶解等问题做了实验研究。从1801年起，他陆续完成了《关于极光》、《关于气压计》、《论降雨》、《关于温度计》、《混和气体的组成》、《论水蒸气的力》、《论蒸发》、《论气体受热膨胀》等论文。其中最突出的成果是他在《论气体受热膨胀》的论文中清楚地提出了气体的热膨胀定律，“任何气体每上升一定温度时发生的体积膨胀是相同的。”在同一时期，法国化学家盖·吕萨克也提出了气体的体积随温度而改变的这一定律。所以，现在人们常称气体热膨胀定律为道尔顿盖·吕萨克定律。此后不久，道尔顿又进一步提出了著名的混和气体的分压定律，混和气体的压力等于各组分在同样条件下所具有的压力之和。这些对气体物理性质的实验研究成果又引导道尔顿去攀登科学险途的新高峰。
通过气象观测和对气体物理性质的研究，道尔顿常思考这样一个问题，“为什么复合的大气，或者由两种或更多种弹性流体（气体）组成的混和物竟能在外观上构成一种均匀体？”他决心解释这一常见的自然现象。
他曾假定各种物质（气体）都由同样大小的微粒构成。混和气体的分压定律表明一种气体的微粒能均匀地分布在另一种气体的微粒之中。气体的扩散也是类似的物理过程。由此，道尔顿认为，物质的微粒结构是存在的。这些质点也许太小了，即便采用显微镜也无法看到。这时，他想起了公元前古希腊哲学家提出的原子假设，于是他选择了原子这一名词来称呼这种微粒。
根据牛顿在力学理论中指出物质微粒的运动遵循同性相斥、异性相吸原理，道尔顿假设在混和气体中，一类气体的原子并不排斥另一类气体的原子，仅仅是同类原子相互排斥。那么，怎样证实气体原子的存在呢？道尔顿认为，必须去测定各种原子的相对质量和不同原子合成新粒子的组成。当时的化学家在进行气体化合物的化学反应时，为道尔顿的研究提供了一些实验数据，但是还远远满足不了他计算各种原子的相对质量的需要。为此，道尔顿做了一些大胆的假设和推理。首先他从物理学的角度出发，假定相同体积的气体在同温同压下含有相同数目的原子。若这一假定能成立，他便可以通过测量相对的蒸汽密度来换算气体原子的相对质量。但是，他在氧气、氢气合成水的实验中发现，水的蒸汽密度反而小于氧气的蒸汽密度。于是他怀疑采用蒸汽密度法来测算原子的相对质量行不通（用现在的观点看，只要把道尔顿测定的微粒由原子改为分子就对了，可惜道尔顿当时没有这种认识）。
由于采用物理学的实验方法行不通，道尔顿转向了化学。根据水由35份氧和15份氢组成的实验结果，得到了氧和氢化合的质量比；又由氨气的分析得到了氮和氢化合的质量比。有了这些质量比还不够，还必须知道化合物的微粒究竟由几个原子组成，才能换算出原子的相对质量。对此，道尔顿提出了由原子构成微粒（分子）的基本原则。两种元素A和B间若只存在一种化合物，其分子为AB；若存在两种化合物，其分子为AB、ABB或AAB；若存在3种时，可能是AB、AA或ABB。在这样的条件下，他以氢原子量作为基准，利用化学家对一些物质的分析结果，换算出一批原子的相对质量。这就是世界上第一张原子相对质量表，记载在1803年9月6日道尔顿的日记中。这一天恰好是道尔顿37岁的生日，因而更富有意义。
1803年10月，在曼彻斯特文学和哲学学会的一次活动中，道尔顿第一次讲述了他的原子论。他的基本观点可归纳为3点：
①元素是由非常微小、不可再分的微粒——原子组成，原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己的独特性质。
②同一元素所有原子的质量、性质都完全相同。不同元素的原子质量和性质各不相同，原子质量是每一种元素的基本特征之一。
③不同元素化合时，原子以简单整数比结合。
尽管道尔顿提出的原子论被后人发现存在许多错误，但是他关于原子的描述、原子量的计算是一项意义深远的开创性工作，第一次把纯属臆测的原子概念变成一种具有一定质量的、可以由实验来测定的物质实体。
他在阐述他的原子论的过程中，又发现和他原子理论相吻合的一个实验事实就是当甲乙两元素能化合生成几种不同的化合物时，这些化合物中与一定质量的甲元素相化合的各乙元素的质量多互成简单的整数比。例如，在一氧化碳和二氧化碳中，与同量碳化合的氧，其质量之比为1：2.氧的氮化物、沼气（甲烷）和成油气（乙烯）等也都呈现此规律。于是，道尔顿第一个提出了表述这一规律的倍比定律。倍比定律来自实验，很快为大家所理解和接受，因而成为原子理论的实验论据之一。
1804年夏天，当时在英国已颇有名气的化学家托马斯·汤姆逊拜访了道尔顿。道尔顿向他介绍了自己的原子论。汤姆逊对此极为赞赏，并在1807年所著的《化学体系》一书中，宣传了道尔顿的原子论，从而使这一理论为其他化学家所认识，也为其后在研究阴极射线的基础上提出新的原子模型打下了基础。
道尔顿的原子论不仅在英国化学界，而且在整个科学界也引起了重视和推崇。1816年，法国科学院推选道尔顿为外国通信院士。1822年，在没有征求道尔顿本人意见的情况下，英国皇家学会增选他为会员。之后，他先后被聘为柏林科学院名誉院士、莫斯科自然科学爱好者协会名誉会员、慕尼黑科学院名誉院士。道尔顿对此没有丝毫兴趣，仍然像过去一样，将自己的热情和精力奉献给科学，继续从事原子论的研究，测定各种元素的原子量，继续过着那朴实而紧张的隐居式生活。道尔顿的清贫生活，特别是那简陋的住房和艰苦的工作条件，使慕名而来的科学家感到意外。由于他们的呼吁，英国政府在1833年决定每年给他150英镑的微薄的养老金，以供他晚年生活。
1837年4月，他刚过70岁，不幸中风，后经治疗病情有所好转，便又像往常那样继续工作。直到1844年7月26日晚，他还用发抖的手记下最后一篇气象日记。第二天清晨，他就像婴儿入睡一样静静地长眠了，享年77岁。对道尔顿的逝世，曼彻斯特市民们感到非常悲痛，当时的市政厅立即做出决定，授予这位科学家荣誉市民的称号，将他的遗体安放在市政厅，4万多名市民络绎不绝地前去致哀。8月12日公葬时，有100多辆马车送葬，数百人徒步跟随，沿街商店也都停止营业，以示悼念。一位终身未娶、没有后人也没有钱财的普通市民，在死后能获得这种非同寻常的礼遇，可见人们对道尔顿的崇敬。
道尔顿的著作《化学哲学新体系》在1808年才陆续问世。这一名著分两卷，第一卷又分上下两册。在第一卷上册中，他主要论述了物质的结构，详尽地阐明了原子论的由来和发展，包括他关于原子论的基本观点。第一卷下册于1810年出版，它的内容主要是结合化学实验的事实，运用原子理论对一些元素和化合物的组成、性质进行分析。第二卷直到1827年才出版，重点叙述金属氧化物、硫化物以及合金的性质，把原子论的思想做了进一步的发展。道尔顿的研究记录在他死后被完整收藏在曼彻斯特，但却毁于第二次世界大战时的曼彻斯特轰炸。以致于著名科幻作家艾西莫夫为此事叹道：“不是只有活人才会在战争中被杀害”。
从此以后，人们有关原子结构的所有探索都是在道尔顿的这个原子论的基础上进行的，都是不断以新的实验事实来改进和完善原子结构，去掉早先多少带有猜测或推理而又被新的事实证明为不合理的成分。这一系列的实验最终指向现代版的原子论。当然，这仍然是经过众多出色的科学家上百年的不懈努力，并且越接近原子的核心，越惊心动魄。因为原子核竟然蕴藏着如此惊人的能量，至今都仍然在困扰着人类。
1.3.4 真空玻璃管中的绿光
在19世纪，电学仍然是欧洲最热门的话题。不仅仅是皇家科学院和大专院校等科研机构，在新兴的工业企业和民间，都有不少人对电有着浓厚的兴趣，在一切有条件的场所，都有一些有心人和探索者在进行着各种各样的实验。在这些探索者中，有一位叫盖斯勒的德国玻璃容器制作工。正是他，第一个捕捉到了电子的踪迹。盖斯勒精于吹制各种实验用玻璃容器，在经营一家出售这类仪器的小店的同时，也热衷于自己进行一些实验。他改进了当时的抽真空技术，从而可以在玻璃管内获得真空。
1858年，盖斯勒制成了一个密封接着金属电极的真空玻璃管，用来进行电流流经真空环境的试验，结果发现经电加热的电极上隐约有一种绿光产生，而且在这种光照射玻璃管壁上可以留下痕迹。这种奇特的现象引起了许多人进一步的研究。
1876年，德国物理学家哥顿斯坦指出，管壁的光是由电极上所产生的某种射线射到玻璃壁上引起的。他把这种射线称为“阴极射线”。
1879年，当时著名的物理学家和化学家、德国波恩大学教授普鲁克和他的学生希托夫通过实验证实了这一射线的确是从灯丝电极射出来的。他们对密封在真空玻璃管内的电极进行了通电实验。当将管内空气抽出而使管内压力降到低于十万分之一大气压时，他们发现电极对面管壁上出现了绿色的辉光，好像有什么东西从阴极跑出来，打到对面的管壁上似的，从而证明在真空条件下，灯丝电极上有一种物质不断地发射出来。这些实验都已经证明，哥顿斯坦所说的“阴极射线”是确实存在的。
1.3.5 电子被证实
但射线是什么东西呢？以当时人们对电的认识，还不能完全解答这个问题。第一个明确表明这是一种带电微粒的是著名的英国物理学家汤姆逊。正是对电子的研究，使他在道尔顿原子论基础上提出了科学原子模型，人们称他是“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。
1897年，约翰·汤姆逊发现阴极射线在磁场中偏转所遵循的法则竟和一根通电导线一样，而在电场中，阴极射线与负电荷运动方向相一致。因此，他断定阴极射线是带负电的粒子流。汤姆逊提出的这种带负电的微粒的概念，奠定了电子理论的基础。当然，“电子”这个词是爱尔兰物理学家斯托尼在1891年首先提出的，但电子的真相则是由汤姆逊首先揭示的。汤姆逊测定了电子的速度，以及电子所带的电量与电子质量的比值。汤姆逊由于确定了电子的存在而获得了1906年的诺贝尔物理学奖。
汤姆逊的实验实质上是一种破坏原子的方法。在低压气体下放电时，原子被分为带电的两部分，其中一个带负电（称为电子），而另一个较重要的部分则带正电。这一事实说明原子不再是不可分割的。根据这种实验结果，汤姆逊提出的原子模型是像鸡蛋一样的球体，蛋黄是正电，蛋白是电子，由正负电荷将它们紧紧地连接在一起。这是第一个关于原子结构的模型。
汤姆逊的实验过程是，他先将一块涂有硫化锌的小玻璃片放在阴极射线所经过的路径上，会看到硫化锌会闪光。这说明硫化锌能显示出阴极射线的“径迹”。他发现在一般情况下，阴极射线是直线行进的，但当在射击线管的外面加上电场，或用一块蹄形磁铁跨放在射线管的外面时，发现阴极射线都发生了偏折。根据其偏折的方向，不难判断出其带电的性质。
汤姆逊在1897年得出结论，这些射线不是“以太”波（以太是人们在没有认识到物理场的超距作用时虚构的一种物质，当时认为这种物质充满了所有空间，具有传递能量的作用），而是带负电的物质粒子。但他反问自已，“这些粒子是什么呢？它们是原子还是分子，还是处在更细的平衡状态中的物质？”这需要做更精细的实验，才能找到答案。当时还不知道还有比原子更小的粒子，因此，汤姆逊假定这是一种被电离的原子，即带负电的“离子”。他要测量出这种“离子”的质量来，为此，他设计了一系列既简单又巧妙的实验：单独的电场或磁场都能使带电体偏转，而磁场对粒子施加的力是与粒子的速度有关的，汤姆逊对粒子同时施加一个电场和磁场，并调节使电场和磁场所造成的粒子偏转互相抵消，让粒子仍做直线运动。这样，从电场和磁场的强度比值就能算出粒子的运动速度。而一旦算出速度后，单靠磁偏转或者电偏转就可以测出粒子的电荷与质量的比值。汤姆逊用这种方法来测定“微粒”电荷与质量之比值。他发现这个比值和气体的性质无关，并且该值比起电解质中氢离子的比值（这是当时已知的最大量）还要大得多。这说明这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多，前者大约是后者的1/2000.
后来，美国的物理学家罗伯特·密立根在1913～1917年的油滴实验中，精确地测出了新的结果，带电微粒是氢原子质量的1/1836，非常接近电子的质量。
密立根的油滴实验装置由安装在显微镜上的一个小盒组成。试验中，喷油嘴将矿物油滴入两个带电的圆形盘中，两个盘的间隔为2厘米。通过调节电压，油滴悬至半空中之前盘子的电荷都在不断变化，这说明油滴的电荷（向上的电力）超过了其质量（向下的电力）。根据油滴实验，密立根计算出电子的基本电荷为1.6×1019库仑，而且电荷不能细分。同时，他还得出电子的质量只有质子质量的1/1837或9.1×1031千克。1923年，密立根因此项研究而成为美国第二个获得诺贝尔物理学奖的科学家。他曾经说，“要培养观察的习惯，并尽力抓住听取智者意见的机会。冷漠和疏忽是最可怕的两大敌人，而兴趣和关注则可以确保时刻学到新知识。”
汤姆逊测得的结果证实了阴极射线是由电子组成的，人类首次用实验证实了一种“基本粒子”——电子的存在。“电子”这一名称是由物理学家斯托尼在1891年采用的，原意是定出的一个电的基本单位的名称，后来这一词被用来表示汤姆逊发现的“微粒”。自从发现电子以后，汤姆逊就成为了国际上知名的物理学者。在这之前，一般都认为原子是“不能分割的”，汤姆逊的实验指出，原子由许多部分组成。这个实验标志着科学的一个新时代。但是它所代表的时代则很快就结束了。一个新的标杆又立在了它的前面。也许，科学的魅力就在于此。不断以新的高度来促进科学更加精彩的进步。
电子是构成宇宙万物的最基本单位之一。它如此微小，以至于不要说用肉眼，就是用极高倍数的电子放大镜，也根本看不清它的真面目，它几乎就是数学上所说的抽象的点，一个质点。但是，它的真实性就如它以闪电划破夜幕一样强烈，不容置疑。而它却又因为易于操纵而显得十分驯服，只要有适当的设备，就能将很多形式的能量都转换成它的能量，驱动电动机械和进行复杂的运算。
电子被证实了，但电子的故事并没有完结，还在更深的层次中发挥着别样的作用，有待人们进一步探索。
