Відомі вони з середини ХІХ ст. Йдеться про скляні рурки видовженої форми, з яких за допомоги спеціальних помп крізь отвори певного діаметра викачують повітря. Дві металеві пластини утворюють електроди, пов’язані з полюсами електрогенератора, і дозволяють підтримувати різницю потенціалів. Якщо остання досить висока, розріджений газ перетворюється на провідник, і рурка світиться.
У подібному приладі 1879 р. Вільямові Крукзу, який доводив вакуум до максимуму і підвищував тиск, поталанило отримати тоненькі потоки з катода — катодне проміння, що містить легкий електричний струм. Біг струму оприявнюється через флюоресценцію у збуреному газі в рурці. Якщо піднести магніт, можна побачити, як траєкторія відхиляється. Отже, вплив магнітного поля такий самий, як і в електричного струму, ніби випромінювання складається з крупинок електрики. Однак, якщо прикласти поперечне електричне поле, воно не спричиняє жодних змін, на відміну від струму, що відсунуло висновки щодо досліджуваного явища на пізніший час.
Внесок Томсона — у поліпшенні порожнього простору в рурці. Справді, присутність залишкового газу викликає іонізацію, що екранує зовнішнє електричне поле, і воно стає неефективним. Щойно досягнувши достатньо зниженої густини газу, Томсон зміг детально дослідити поведінку катодних променів. Він показав, що промені відштовхуються від негативно зарядженої пластини і, навпаки, притягуються позитивно зарядженою пластиною. Так 30 квітня 1897 р. йому пощастило виявити електрон та оцінити його масу як приблизно одну двотисячну маси атома водню.
Роберт Ендрюз Міллікен експериментально доведе, що всі електрони мають однаковий заряд — 1,6 10-19 Кулона. Це — елементарний заряд, найменша вільно існуюча кількість електрики. Для відповідності давнішому протиставленню позитивного й негативного зарядів, прийнятих в електростатиці, йому приписують негативне значення. 1923 р. Міллікен також отримає Нобелівську премію — за «роботу над елементарними електричними зарядами та фотоелектричним ефектом».
Електрон — найменша частинка електрики, себто найменша кількість матерії, яка несе електричний заряд. Порівняно з масою найлегшого з атомів — водню — його маса дуже низька. Його легко виокремити. Щоби вирвати електрон з його атомної орбіти, достатньо електричної напруги. Саме так створювали катодні промені, саме так працюють рурки у кінескопах — їх використовували до появи пласких екранів.
Одразу виникає запитання: якщо матерія здатна випромінювати електрони, заряджені умовно негативно і якщо загалом матерія нейтральна, то, певно, треба подумати і про протилежний заряд — позитивний, який також мусить міститись у матерії. Як вони розподіляються? Можливі два варіанти. Або ж матерія подібна до нуги, де позитивні заряди заповнюють весь об’єм, а електрони стирчать подекуди, мов родзинки. Або ж позитивні заряди скупчуються у певних точках. Доведення правильності другої гіпотези стало внеском лорда Ернеста Резерфорда та його учнів Ганса Ґайґера й Ернеста Марсдена: позитивний заряд несуть частинки, названі «протонами», які збираються в малесенькому ядрі в осередді атома.
Цим відкриттям ми зобов’язані неодноразово застосованому методові: коли, використовуючи частинку-мішень, ми досліджуємо рух пробної частинки. У випадку команди Резерфорда було використано найенергетичніші на той момент частинки — α-частинки природної радіоактивності. Мішенню була тонка золота пластина — адже золото можна розкочувати у надтонкі пластини з мінімальною кількістю атомних шарів. Було відомо, що α-частинки заряджені позитивно, як і гіпотетичні розшукувані ядра. Дослід полягав у відстеженні напрямку виходу α-частинок після того, як вони перетнуть золоту пластинку.
Якби йшлося про «матерію-нугу», то вона навряд сприяла би розсіюванню α-частинок — навпаки, вони пройшли би більш або менш прямою лінією аж до центральної плями на контрольних екранах. А ядро, в якому зібрано всі позитивні заряди, повинно відштовхувати α-частинки з то більшою силою, що вони ближче. Результат підтвердив останнє припущення: α-частинки, які проходили далеко від ядра, не відхилялися, інші ж сильно відхилялися, а деякі навіть відскакували. Пояснення з’явилося миттєво: їхня траєкторія збігалася з розташуванням ядра. Цей дослід дозволив уперше визначити приблизні розміри ядра: кілька 10-15м.
Резерфорд 1908 р. одержав Нобелівську премію — ще до свого фундаментального досліду в 1911 р. Отримав він премію не з фізики, а з хімії — за «дослідження дезінтеграції елементів та хімії радіоактивних речовин».