Sir Joseph John Thomsonはイギリスの物理学者で、ノーベル賞受賞者である。 電子の発見で知られる。 1897年、彼は陰極線が非常に小さな負の電荷を帯びた粒子で構成されていることを示した。 この粒子は後に電子と命名された。 彼の実験の装置はブラウン管（CRT）と呼ばれています。
J. J.J.トムソンだけではなく、ユリウス・プリュッカー、ヨハン・ヴィルヘルム・ヒトルフ、ウィリアム・クルックス、フィリップ・レナードなどが陰極線に貢献したり、その研究にいそしんだりしていたのです。 しかし、トムソンの貢献は、他の人たちよりも大きなものであった。 トムソンの実験結果は、ラザフォードやボーアによってさらに研究され、原子の世界に重要な洞察をもたらしました。
陰極線とブラウン管
トムソンの発見に直接飛びつく前に、陰極線とブラウン管に関する基礎知識を理解しておこう。 陰極線は、陰極（電池のマイナス端子に接続された電極）から放出される電子の流れのことです。 この光線は直線的に進み、電界や磁界によって偏向されます。
ブラウン管（CRT）は中空のガラス管です。
CRTは以下の部品で構成されています。 電子銃は、主にヒーターとカソードで構成されています。 それは鋭い電子ビーム、陰極線を放出する。 最近のブラウン管では、上図のように加熱フィラメントを用いた熱電子放出によって電子ビームを発生させる。 ただし、トムソンの実験では冷陰極放出方式が採用された
トムソンの実験
当時、物理学者たちは陰極線が光のように非物質なのか物質なのか、はっきりしなかったという。 この光線については、さまざまな意見があった。 ある人は、この光線はエーテルにおける何らかのプロセスによるものだという。 しかし、J.J.トムソンによって、陰極線の非物質的性質とエーテル説は間違いであることが証明された。 彼は、光線は粒子で構成されていると結論づけた。 彼の全作品は、3つの実験に分けることができる。 1つ目は、陰極線に対する磁気の影響を調べる実験、2つ目は、電界によって陰極線を偏向させる実験である。 実験1：磁気偏向
実験装置は2つの金属製円筒からなる。 円筒は同軸に置かれ、互いに絶縁されていた。 外側の円筒は接地し、内側の円筒には下図に示すように電流を検出するための電磁石を取り付けた。 両円筒には穴またはスリットが開いている。 陰極（図のA）と陽極（図のB）の間に高い電位差を与えると、左の筒で発生した陰極線が陰極から放出され、メインのベルジャーに入射する。 磁場によって偏向されない限り、光線は円筒に入らない。
彼は瓶の中の四角いスクリーン上の蛍光を利用して光線の経路を追跡することに成功した。 光線は磁場によって曲げられると、スリットから円筒の中に侵入する。 そして、負の電荷の存在が電気計で検出された。 さらに曲げると、光線はスリットを越えてしまい、電位差計は何も表示しない。 トムソンは、「この実験から、磁力によって陰極線をいかに捻り曲げようとも、負の電荷は陰極線と同じ経路をたどり、この負の電荷は陰極線と不可分に結びついていることがわかる」と引用している
さらに彼は、異なる材料やガスで実験を繰り返し、材料やガスにかかわらず光線の曲がりが同じであることを発見した。
結論
この実験の結果、彼は次の2点に到達した。
- 陰極線は磁場によって、あたかも負に帯電した粒子から成るのと同様に偏向された。
- 電極の材質や瓶の中のガスに依存しない。
実験2：電気偏向
最初の実験は、陰極線が磁場下で負に帯電した粒子として振る舞うことを実証したのである。 しかし、電界中で陰極線が偏向しなかったので、この記述は不十分なものとなった。 これはトムソンよりずっと前にヘルツによって観察されていた。 このため、陰極線は負に帯電した粒子なのか、そうでないのかというジレンマが生じた。 そこでトムソンは、別の実験によってさらに詳しく調べることにした。 陰極と陽極の間に高い電位差をつけると、陰極（図のC）に陰極線が発生する。 この光線が陽極（図中A）を通過し、その後、接地されたスリットBを通過すると、光線は先鋭化される。 この細い光線はアルミニウム板（DとE）を通過して伝播し、最後に燐光スクリーンに当たって明るい斑点ができる。 スクリーンはスケーリングされており、ビームの偏向を測定することができた
ヘルツがプレートの間に電界をかけたとき、彼はビームの偏向がないことに気がついた。 ヘルツの後、トムソンも同じ実験を行ったが、同じような結果を得た。 そこでトムソンは、前回よりはるかに低い圧力で同じ実験を繰り返した。 今度は電界によってビームを偏向させた。 電池のプラス端子に上の板を、マイナス端子に下の板を付けると、ビームは上方に偏向した。
そしてついに、ビームは負に帯電した粒子に過ぎないことを証明することに成功したのです。
結論
彼は次のように結論づけた：
陰極線は負の電荷を持っており、あたかも負の電気を帯びたかのように静電気力によってそれるし、この力がこれらの線の経路に沿って動く負の電荷を持った物体に作用するのと同様に磁気力が作用するので、私はこれらが物質の粒子によって運ばれた負の電荷であるという結論から逃れられないと思うのである。
註：読者を悩ませる一つの疑問は、管内の真空度を上げたときになぜビームが偏向したかということである。 電極間の高い電位差が残留ガス分子を自由電子とイオン（空間電荷）に電離させたのである。 この自由電子とイオンが、ヘルツの場合、外部電界を電気的に遮蔽していたのである。 その結果、電界は減衰し、ビームは電界の影響を受けなくなった。 しかし、トムソンの場合は真空度が高いため、空間電荷の密度が非常に少なくなっていた。
実験3：質量電荷比（e/m）
陰極線の静電特性を実証した後も、トムソンはこの粒子について興味を持ち続けていた。 原子なのか分子なのか、それともまだ発見されていない未知の存在なのか……彼は考え込んだ。 そして、その答えを見つけるために、3つ目の実験を行った。 4712>
実験装置は前回と同じである。 さらに、上図のように電磁石の極を管の周りに置いて磁場をかけた。
磁場は電場と陰極線の両方に直角になるようにかけた。 これは下の図に描かれている。
最初、彼は電場だけをかけ、ビームを特定の方向に偏向させるようにした。 この電界の偏向は彼によって測定された。 次に、ビームが元の軌道に戻るまで（すなわち、偏向しないまま）磁場を変化させた。 このとき、磁力と電気力は打ち消し合っていた。
ここで、EとHは電界強度と磁界強度、lはプレートの長さ、θは電界のみを印加したときのたわみ量である。 これらのパラメータはすべて既知である。
m/eの証明
ここで、
- 電池の正極端子に接続された板をD、負極端子に接続された板をEとすると、DとEは、それぞれ次のようになる。
- FEは電界による力、
- FHは磁界による力、
- sは板端での梁の垂直変位、
- lは板の長さ、
- fは板端での梁の垂直変位。
- θは電界中の偏向量.
- vは電界に入ったときのビームの等速度.
- Oは原点.
- Tは陰極線が電界中にいる時間.
- Tは電界中にいたときの陽子線が電界に入る時間.
- Oは電界に入るときのビームの等速度.
この表記を下図に示します。
電気力と磁気力が相殺されると、光線は偏向しない。 したがって、光線にかかる正味の力はゼロです。
FE = eE と FH = -evH がわかっています。
運動式からの変位は
x方向で、初速度はv、加速度は0。
上の式にvの値を代入すると
t＝Tのときx＝lとなる。
y方向は初速度は0だが、ビームは電界中に進むと加速する。
加速度は力を質量で割ったものである。
aの値を代入すると、
t=Tのときy=s.
Tを消去すると
したがって質量比は次のようになります。 
θの値が小さい場合は
.
.
最後に、
トムソンが論文の中で報告した比の値は(1.29 ± 0.17) × 10-7です。
m⁄e の逆数が電荷質量比 (e⁄m) となるのですが、この比を求めるには次のようにします。 CODATAが推奨するe/mは1.758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1である。またトムソンはm/eの計算値が放電管内のガスや陰極の金属に依存しないことに着目している。 このことは、粒子が原子に不可欠な要素であることを示唆している。
彼はまた、m/eの値が水素イオンの値の約1000分の1であることにも注目している。 当時推定された水素イオンのm/eの値は10-4程度であった。 これは、粒子の質量が水素イオンよりはるかに小さいか、あるいは強く帯電していることを意味していた。 レナードは、陰極線の衝突の平均自由行程と密接な関係がある範囲を0.5cmと決定していた。 一方、空気分子の平均自由行程は10-5cmで、陰極線の範囲に比べると非常に小さい。 トムソンはこの粒子をコーパスクルと名付けたが、後に電子と改名された。 また、これらの実験結果をもとに、トムソンはプラムプディングの模型を提案した。 彼はノーベル物理学賞を受賞しています。
Thomson’s hypotheses
Thomsonは実験から3つの仮説を提示した。
- 陰極線はコーパスという負の荷電粒子から構成されている
- 原子はこのコーパスが集まってできている。
- これらの尸は原子の唯一の不可欠な部分です。
第三の仮説は、後に自分の学生ラザフォードが原子の中に正電荷を持つ原子核の存在を提案したときに間違っていることが証明されたのです。