19世紀中葉，隨著電學知識的積累和真空技術的發展，對於真空放電以及電的本性的研究引起越來越多人的興趣。人們驚奇地發現，在真空度很高（達萬分之一大氣壓）的真空管放電時，在陰極會產生美麗的輝光。德國物理學家哥爾德斯坦認為這種輝光是從陰極發出的射線，將之命名為“陰極射線”，並認為這種射線與紫外線相類似。
當時的物理學界圍繞陰極射線展開了激烈的爭論。爭論的焦點是：陰極射線究竟像紫外線一樣是一種波，還是帶電微粒？德國大多數物理學家都讚成哥爾德斯坦的觀點，著名學者赫茲對他們表示支持。
赫茲因在1888年以火花實驗證實電磁波的存在而一舉成名，“結論來源於實驗”是他遵循的信條。為驗證陰極射線是否帶電。他特意用1000個電池串聯產生2000伏高壓得到連續發射的陰極射線，並使射線通過加了240伏電壓的平板電容器，如陰極射線是帶電粒子的話，那它會在平板電容器的電場中偏轉，而實驗的結果卻是否定的。
英國和法國的物理學家們傾向把陰極射線看成是粒子流。英國的覓魯克斯曾經把一個插有雲母翼片的小風輪放置在真空管中間，當以陰極射線照射上側風翼時，風輪就轉了起來。他以這一事實證實陰極射線是帶負電的“分子流”。法國物理學家佩蘭則用實驗測量了陰極射線的電量。他使射線經過一小孔進入陽極內的空間，打在收集電荷的圓筒上，靜電計上顯示帶有負電；當把陰極射線管置人磁極間，射線發生偏轉，無法進入小孔，集電器上電性消失，從而證實了電荷正是陰極射線攜帶的。
在近20年時間裏，關於陰極射線是粒子或是射線的爭論一直都未停止。這場爭論最終由英國物理學家湯姆遜所解決。自19世紀80年代起，湯姆遜就進行了放電現象方麵的研究。關於陰極射線本質的爭論自然引起了他的注意，經過認真的研究之後，他認為真空管中的陰極射線是帶負電的微粒子流，這種帶電粒子有很大的速度，並是沿直線運行的。1894年，他從更精巧的實驗中堅信，陰極射線絕不是一種電磁輻射。
陰極射線粒子性的最終確證是在湯姆遜重複了赫茲的實驗之後。湯姆遜發現，赫茲當年的失敗主要是由於真空度不夠高，引起殘餘氣體的電離，靜電場建立不起來所導致的。他說：“我重複這一實驗時，起初也得到和他同樣的結論，但後來發現不偏轉的原因是由於陰極射線使稀薄的氣體產生導電性。我在對電流進行測量時，發現真空度提高時導電性消失得很快。顯然，在很高的真空度下做赫茲實驗，有可能觀察到陰極射線受靜電力偏轉的現象。”
湯姆遜從實驗結果中完全證實了陰極射線是帶負電的粒子流的結論。陰極射線是帶負電的粒子流的結論已是確定無疑的了。但這些粒子是原子、分子，還是更小的微粒呢？湯姆遜對此作了更進一步的研究。湯姆遜通過計算，發現克魯克斯使小風輪轉動的實驗，不能用分子流的作用來加以解釋，這個作用力太小。
湯姆遜用了兩種方法測定陰極射線微粒的荷質比e／m值。第一種方法是將一束陰極射線通過強磁場使其偏轉後撞擊已知熱容的固體，使其動能轉化為熱，測出熱量可算得動能，代人數學公式可求得e／m值。第二種方法則是用電場和磁場使陰極射線發生偏轉去測得e／m值。他測得的荷質比e／m之數量級為107單位／克，這要比在眾所周知的電解過程中測得的氫離子的荷質比大上千倍。湯姆遜認為，這可能是陰極射線中的粒子質量很小，也可能是其電荷較大造成的。進一步的分析使湯姆遜斷定，陰極射線是由質量比氫離子小得多的粒子組成的。他最初把這些粒子稱為帶負電的“微粒”。
1897年，湯姆遜測定了紫外光射到鋅片上的光電效應和熾熱金屬的熱電過程中帶負電粒子的e/m值，得到同陰極射線中“微粒”一樣的數值。湯姆遜堅信：“這些粒子具有相同的質量並帶有相同的負電荷，無論它們是從哪種原子裏所得到的。它們是一切原子的一個組成部分。”湯姆遜始以“電子”這一名稱命名這種微粒。
電子的發現，在較長時間內並未得到科學界的承認。甚至到了1906年，授予湯姆遜諾貝爾物理學獎時都沒有明確提到他發現電子的功績，他獲獎的原因是由於他“在氣體導電方麵的理論和實驗研究”。當時的許多物理學家都堅持電的連續性觀念，而排斥電的粒子性的新思想。對於原子有更小的組成部分，人們感到不可思議，難以接受。湯姆遜的一些同事對他的工作不予支持，甚至有人貶低他的工作，說是給科學“拖了後腿”。