当时的困境
十九世纪的最后二十年，欧洲的实验室里到处都是玻璃管。抽掉里面的空气，两端加上几千伏电压，就会有某种看不见的东西从阴极射向阳极，撞在玻璃壁上激出一片绿莹莹的荧光。它被叫作阴极射线。
它是什么，吵了二十年，而且吵成了国别之争。德国学派（赫兹、勒纳德）认为是以太中的一种波动：它能穿过薄金属箔，而粒子怎么可能穿过金属？英国学派（克鲁克斯、舒斯特）认为是带电粒子：它会被磁铁偏转，而波不会。
最要命的一条证据在德国人手里。赫兹做过判决性实验：把阴极射线放进电场，如果它带电，就该偏转。他没有看到任何偏转。
粒子派这边最直接的证据来自巴黎。1895 年底，高师的年轻助教 佩兰 把阴极射线引进一个带屏蔽罩的法拉第筒，筒上的验电器立刻显示出负电；用磁铁把射线偏开，电荷就不再进来。但以太派并不认输：他们本来就不否认阴极会射出带电粒子，只说这些粒子与射线本身无关——汤姆孙后来的比喻是，就像子弹与枪口的闪光。
麻烦还不止于此。就算承认它是粒子，当时所有人默认它至多是某种带电的原子或分子——因为「原子」这个词从德谟克利特起就是「不可切分」的意思，没有理由认为存在比原子更小的东西。
洞见时刻
1897 年，卡文迪什实验室的 J. J. 汤姆孙先重做了佩兰的实验，把法拉第筒挪到射线的直行路径之外：只有当射线被磁铁偏转、打进筒口时，筒才带电——电荷与射线形影不离，那个缺口堵上了。接着他从赫兹那个否定结果入手。他怀疑问题出在真空度上：管里残余的气体被射线电离后变成导体，把电场屏蔽掉了，所以射线感觉不到电场。
他把真空抽到当时前所未有的程度，再加电场。射线偏了。
接下来是那个漂亮的组合测量。同时加上电场和磁场，调节两者使作用恰好抵消、射线走直线——由此定出粒子的速度；再撤掉磁场，由纯电场下的偏转量算出荷质比 e/m。
结果让他自己也不安：这个比值比氢离子——当时已知荷质比最大的东西——还大一千多倍。只有两种可能：电荷大得离谱，或者质量小得离谱。
真正的洞见是接下来那一步。汤姆孙换了阴极的金属，换了管里的气体，反复测：比值纹丝不动。这说明它不是某种特定元素的碎片，而是一切原子共有的组分。1897 年 4 月 30 日他在皇家研究院宣布了这个结论，据在场者回忆，不少人以为他在开玩笑。
两年后他单独测出了这种粒子的电荷，确认大得离谱的不是电荷，而是小得离谱的质量——约为氢原子的两千分之一。
不过那次测量用的还是云室里的水雾：水滴边下沉边蒸发，读到的只是一团云的平均值，精度不足以回答一个更要紧的问题——电荷究竟是不是一份一份的。当时仍有人主张电是连续的流体，所谓基本电荷不过是大量测量取的平均。把这件事做实的是 密立根：1909 年起他改用不会蒸发的油滴，让单独一滴油悬在电场里反复观察几个小时，发现它每次跳变都是同一个最小值的整数倍。1913 年他给出的 静电单位，与今天的值只差约百分之零点六。有了这个数，汤姆孙的比值立刻兑换成电子的质量，电子才算拿到了完整的身份证。
涟漪效应
原子有了内部，物理学就得回答内部长什么样。汤姆孙 1904 年提出「葡萄干布丁」模型：电子嵌在一团弥散的正电荷里。七年后，他自己的学生卢瑟福用 α 粒子轰击金箔，发现极少数粒子被直接弹回——正电荷不是布丁，是一个极小极密的核。玻尔接着把量子条件加到这个核上，原子光谱终于被算了出来。
电子也立刻变成了工具。汤姆孙 1913 年用正射线把氖分成了两种质量不同的原子，同位素与质谱分析由此起步。控制电子束的技术长成了电子管、示波器、电视显像管；把电子束当作波长极短的「光」，长成了电子显微镜；搞清楚电子在晶体中的能带行为，长成了晶体管和你手里的芯片。
还有一个漂亮的收尾：1927 年，汤姆孙的儿子 G. P. 汤姆孙用晶体衍射证明了电子是波，1937 年因此获诺贝尔奖。父亲证明它是粒子，儿子证明它是波，两人都对——这正是德布罗意与量子力学要说的事。
如果没有它
「电子」这个词今天已经不只是一种粒子的名字。电子邮件、电子产品、电子工程——一整个技术门类以它命名，因为这些技术做的事本质上都是同一件：让电子按人的意图流动。
更根本的是，这是人类第一次发现比原子更小的东西。在此之前，物质的结构是一堵墙；1897 年之后，它变成了一段可以继续走下去的楼梯——原子、核、质子中子、夸克。第一级台阶是在剑桥的一根玻璃管里踩出来的。