Tubul catodic este componenta de bază a două produse tehnologice omniprezente: ecranul televizorului şi monitorul computerului. Dar la începuturi, în secolul al XIX-lea, tubul catodic reprezenta un aparat experimental. În forma sa iniţială, este un tub de sticlă străbătut de electrozi de metal din care a fost evacuat aerul şi înlocuit cu un gaz special.

Când electrozii sunt conectaţi la o baterie cu voltaj suficient de mare, razele catodice lovesc capătul opus al tubului şi produc fluorescenţă. Razele sunt fluxuri de electroni, nu raze de lumină. Iar acestea reprezintă primele particule subatomice care au fost descoperite. Descoperirea electronului de către Joseph John Thomson în 1897 a reprezentat pasul crucial în dezvoltarea conceptului despre atom în secolul XX.

Joseph John Thomson s-a născut la 18 decembrie 1856, la Cheetham Hill, o suburbie a oraşului Manchester, în Anglia. Tatăl său, Joseph Thomson, era un editor şi anticar de origine scoţiană, iar mama se numea Emma Swindells.

Atmosfera în familie era mai degrabă evlavioasă decât propice învăţăturii, dar Joseph a fost un elev precoce, cu o memorie prodigioasă. În 1870, la 14 ani, a început să frecventeze cursurile colegiului Owens şi a intrat sub influenţa profesorului de fizică Balfour Stewart.

La moartea tatălui său, în 1873, Joseph a primit o bursă instituită în memoria lui John Dalton, concitadinul său care a modelat pentru prima oară teoria atomică în forma modernă. După ce a absolvit Trinity College în 1880, ca „second wrangler" în matematică, Thomson a fost primit în universitate, rămânând la Cambridge tot restul vieţii. El a lucrat în laboratorul Cavendish, deschis în 1871 care fusese condus iniţial de James Clerk Maxwell. În 1884, la numai 28 de ani, a fost numit profesor Cavendish de fizică experimentală.

Către sfârşitul secolului al XIX-lea se încetăţenise ideea că probabil atomii - a căror existenţă era încă pusă la îndoială în anumite cercuri - nu sunt simple sfere impenetrabile de greutăţi diferite, ci au o structură internă. Potrivit teoriei electromagnetismului, aflată în evoluţie, atomii aveau, într-un anume fel, legătură cu electricitatea; iar experimentele sugerau posibilitatea ca razele catodice incandescente să fie particule atomice încărcate electric.

William Crookes, care îmbunătăţise tuburile cu vid bazându-se pe experimentele lui Thomson, credea, la începutul anilor 1870 că razele seamănă cu nişte fluxuri de molecule. Thomson a beneficiat de un mare volum de date pe care le-a adunat şi le-a studiat pe parcursul timpului, precum şi de o înţelegere deplină a teoriei electromagnetice.

În plus, el a fost inspirat de descoperirea razelor X. Cercetările sale hotărâtoare au avut loc între 1896 şi 1898. In primul dintre cele câteva experimente decisive, Thomson a plasat două discuri de metal conectate la o baterie în interiorul unui tub catodic, creând astfel un câmp magnetic prin care urmau să treacă razele. Când Thomson a observat că prezenţa acestui câmp poate să devieze razele catodice, a concluzionat că acestea sunt formate din particule şi nu sunt radiaţii luminoase.

Şi mai important era faptul că Thomson deţinea acum metodele de a obţine din viteză, care era cunoscută, mărimea e/m pentru particulele reprezentând raportul dintre sarcina electrică şi masă. Când a descoperit că acest raport este foarte mare, a dedus că particulele sunt foarte mici - de o mie de ori mai mici decât cel mai uşor atom cunoscut, cel de hidrogen.

Thomson a testat o varietate de materiale şi de gaze şi a găsit pentru toate, în esenţă, acelaşi raport e/m. Continuând experimentele şi folosind o cameră cu ceaţă, el a reuşit, în 1898, să verifice dimensiunea „corpusculilor". Concluzia sa reprezintă una din adevăratele pietre de hotar în fizică: razele catodice sunt formate din particule care sunt elementare şi se găsesc în întreaga materie. Aşa cum el însuşi spunea mai târziu: „Purtătorii electricităţii sunt corpuri... având o masă mult mai mică decât atomul oricărui element cunoscut şi prezentând aceleaşi caracteristici, indiferent de sursa de electricitate din care provin".

Când Thomson a făcut primul anunţ asupra descoperirilor sale preliminare, la 30 aprilie 1897, la una dintre conferinţele de vineri seara de la Royal Institute, a fost înţeles doar de câţiva dintre colegii săi. Dar seria sa de experimente s-a dovedit atât de convingătoare încît recunoaşterea a venit aproape imediat. „Lumea ştiinţifică", potrivit, unei relatări contemporane, „pare să se trezească brusc în situaţia de a-şi vedea revoluţionate toate concepţiile."

Termenul folosit de Thomson pentru particula elementară, „corpuscul", a fost curând înlocuit de „electron", propus de fizicianul irlandez George Johnstone Stoney.

In 1903 Thomson a publicat o sinteză a operei sale „Conducţia electricităţii prin gaze”. El a dezvoltat modelul atomic numit „budinca cu stafide" în care electronii sunt presăraţi într-o sferă uniformă. Acest model a cedat curând locul modelului de tip sistem solar, dezvoltat de Ernes Rutherford şi Niels Bohr, care a devenit prototipul final de vizualizare. Astăzi, nici atomul, nici electronii nu pot fi efectiv înţeleşi doar prin intermediul reprezentărilor vizuale.

Thomson a fost mult apreciat ca om de ştiinţă şi ca profesor. Unii dintre studenţii săi aveau să devină laureaţi ai premiului Nobel. Laboratorul Cavendish era o Mecca a fizicienilor şi a rămas astfel o lungă perioadă.

S-a spus adesea că Thomson era un experimentator stângaci, care avea nevoie de mult ajutor; dar s-a dovedit foarte ingenios în proiectarea şi perfecţionarea instrumentelor. „Succesul lui Thomson", scria A.E.E. McKenzie, „constă în capacitatea lui de a percepe cu claritate o problemă fundamentală, de a formula o ipoteză, de a concepe teste experimentale şi de a organiza un atac concertat din toate unghiurile alături de echipa pe care o conduce."

In 1906 lui Thomson i-a fost decernat Premiul Nobel pentru fizică. După 1912 el şi-a redus activitatea de cercetare şi s-a concentrat asupra îndatoririlor administrative. A fost înnobilat în 1908; în 1918 a devenit membru al Senatului colegiului Trinity, ceea ce reprezenta o mare onoare. A demisionat de la Cavendish în 1919 şi a trăit dintr-o pensie consistentă până la 30 august 1940. Corpul său a fost incinerat, iar urna funerară depusă în catedrala Westminster, alături de mormintele lui Isaac Newton, Charles Darwin şi Ernest Rutherford.

Fără a fi un adept al filozofiei, Thomson a fost un anglican convins, care se ruga în intimitate în fiecare zi. A fost căsătorit cu Rose Elizabeth Paget cu care a avut doi copii. Fiul său, George Paget Thomson, a devenit fizician şi, ca şi tatăl său, laureat Nobel pentru lucrările sale asupra difracţiei electronice, tehnică folosită pentru studierea moleculelor de gaz şi a structurii suprafeţelor solide.