El descubrimiento de los electrones está relacionado con el estudio experimental de los rayos catódicos y se inició con el fenómeno de la descarga de los tubos de vacío. Ya en 1858, el físico alemán Peake descubrió los rayos catódicos mientras utilizaba un tubo de descarga para estudiar la descarga de gas. Pluck utilizó una bomba de vacío y descubrió que a medida que el aire en el tubo de vidrio se enrarecía hasta cierto punto, la descarga en el tubo desaparecía gradualmente. En ese momento, apareció una fluorescencia verde en la pared del tubo de vidrio frente al cátodo. Cuando cambia el campo magnético aplicado fuera del tubo, cambia la posición de la fluorescencia. Se puede observar que esta fluorescencia se produce por los rayos emitidos por el cátodo que inciden en la pared del tubo de vidrio.
¿Qué son exactamente los rayos catódicos? En los últimos 30 años del siglo XIX, muchos físicos se dedicaron a la investigación. En ese momento, el físico británico Crooks y otros habían propuesto que los rayos catódicos eran partículas cargadas negativamente basándose en el hecho de que los rayos catódicos se desviaban en un campo magnético. Según la deflexión, la relación carga-masa (E/M) de las partículas de rayos catódicos es 1.000 veces mayor que la de los iones de hidrógeno. En ese momento, Hertz y su alumno Lil Nader agregaron un campo eléctrico perpendicular al tubo de rayos catódicos e intentaron observar su desviación en el campo eléctrico, por lo que creyeron que el rayo catódico estaba descargado. De hecho, debido al bajo grado de vacío, no se puede establecer el campo electrostático.
J.J. Thomson diseñó un nuevo tubo de rayos catódicos (en la foto de arriba). Bajo la acción del campo eléctrico, los rayos catódicos emitidos por el cátodo C son enfocados por α y b, pasan a través del campo eléctrico entre el otro par de electrodos D y E, y pegan una regla desviada lateralmente en la pared derecha del tubo. Repitió el experimento de desviación del campo eléctrico hertziano e inicialmente no vio ninguna desviación. Pero analizó que la razón por la que no se produjo ninguna desviación puede ser que no se pudo establecer el campo eléctrico. Por lo tanto, utilizó la tecnología de vacío más avanzada en ese momento para obtener un alto vacío y finalmente permitió que los rayos catódicos se desviaran de manera estable en el campo eléctrico, lo que mostró claramente que los rayos catódicos estaban cargados negativamente. También añadió un campo magnético fuera del tubo que era perpendicular al campo eléctrico y a la velocidad del rayo (este campo magnético era generado por una bobina fuera del tubo). Cuando la fuerza del campo eléctrico eE es igual a la fuerza de Lorentz evB del campo magnético, el rayo puede incidir en el centro de la pared del tubo sin desviarse. Según los cálculos, la relación carga-masa de las partículas de rayos catódicos es e/m ≈ 101C/kg. A través de experimentos adicionales, Thomson descubrió que al usar diferentes materiales o cambiar el tipo de gas en el tubo, la relación carga-masa E/M de las partículas del rayo permanecía sin cambios. Se puede observar que esta partícula es un componente común en varios materiales.
En 1898, Thomson y sus alumnos continuaron su investigación sobre la medición directa de la carga de partículas cargadas. Uno de ellos fue la medición de la carga de un electrón de 1,1x 10-19c utilizando una cámara de niebla Wilson, que demostró que la masa de los electrones es aproximadamente una milésima parte de la de los iones de hidrógeno. Thomson finalmente resolvió el misterio de los rayos catódicos. Después de eso, muchos científicos midieron el valor de carga de los electrones con mayor precisión. Entre ellos, el científico estadounidense Millikan midió el valor de carga de los electrones por primera vez en 1906, e = L.34x10-19c. 1913 finalmente midió E = 1,59 x 10-19c. En aquel momento se trataba de una medición de alta precisión. La carga de electrones exacta moderna E = 1,60217733 (49