톰슨은 다음과 같은 실험을 해 보았다. 당시에는 이미 발전기로 전기를 발전하고 있었던 것이다.

그림에서 보듯이, 그는 유리관의 양쪽 끝에 전극을 붙인 다음, 속의 공기를 빼고 높은 전압을 걸어 보았더니 음극 쪽에서 양극 쪽으로 빛과 같은 것이 흐르는 것을 발견했던 것이다.
이 실험에서와 같이 진공 속을 전류가 흐르는 것을 진공방전, 그 관을 진공방전관, 그리고 음극에서 양극으로 흐르는 빛과 같은 것을 음극선이라고 한다.

요즘이라면 전기가 양극에서 음극으로 흐른다는 것쯤은 초등학생이라도 알고 있을 것이다. 물론 왜 그렇게 되느냐 하는 원리까지는 잘 모르는 사람이 많겠지만...
그런데 톰슨의 실험에서는 빛과 같은 것이 양극에서 음극으로 흐른 것이 아니고, 반대로 음극에서 양극으로 흘렀다.

전기의 정체를 파악하는데 이것은 대단히 중요한 발견이었을 것이다.음극선을 발견한 후, 다시 실험을 거듭한 끝에야 그 음극선이 결국은 극히 미소한 입자인 전자의 흐름이라는 것을 알게 되었던 것이다.모든 물질은 원자가 결합되어 이루어진다는 것을 우리는 학교에서 배웠다.

그림을 보면, 원자의 구조를 이해하는데 도움이 될 것이다. 원자의 구조는 중심에 양(플러스)전기를 가진 양자(proton)와 전기를 갖지 않은 중성자(neutron)로 이루어진 원자핵이 있고, 그 둘레를 음(마이너스)전기를 가진 전자(electron)가 돌고 있는 것이다.

보통의 물질이라면 양자의 수와 전자의 수가 같기 때문에 플러스와 마이너스의 전기량은 균형잡힌 상태, 따라서 물질 전체로서는 전기적으로 중성이 되어 있다.

그러나 원자핵과 전자는 그렇게 단단하게 결합되어 있는 것만도 아니다. 물질에 따라서는 바깥쪽 궤도롤 돌고 있는 전자가 핵(원자핵)에 비교적 약하게 결합되어 있을 수도 있는 것이다. 그럴 경우 외부로부터 어떤 에너지(이를테면 열이나 빛, 마찰 등)를 받게 되면, 그 전자는 궤도에서 벗어나 자유로이 떠돌아 다니게 된다. 이런 떠돌이 전자를 자유전자라고 하는데, 이 자유전자가 이동함으로써 전기가 흐른다는 것을 알게 되었던 것이다.