תומסון הושפע מעבודותיהם של ג'יימס קלרק מקסוול ווילהלם רנטגן בנושא קרני רנטגן. הוא הסיק כי הקרינה הנפלטת מקתודה מורכבת מחלקיקים טעונים מטען שלילי, להם קרא "גופיפים" (corpuscles), שהיום ידועים כאלקטרונים. קדם לו ג'. ג'ונסון סטוני שהעלה השערה בדבר קיומו של האלקטרון כיחידת מידה באלקטרוכימיה, אבל תומסון שיער שהאלקטרון הוא חלקיק תת-אטומי, הראשון שנתגלה. תגליתו התפרסמה ב-1897 ועוררה התרגשות בקהילייה המדעית, והובילה בסופו של דבר לזכייתו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1906. בנו, סר ג'ורג' פג'ט תומסון, זכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1937 על תגליתו שהאלקטרון הוא גםגל.
על סִפּה של מלחמת העולם הראשונה היה תומסון אחראי לתגלית אחרת, אשר היוותה פריצת דרך נוספת, קיומם של איזוטופים שונים של אותו יסוד.
תומסון נולד ב 18 בדצמבר 1856 במנצ'סטר שבאנגליה. את השכלתו המוקדמת רכש בבתי ספר פרטיים, וכבר אז גילה עניין עמוק במדע וסומן ככשרון מבטיח. כשהיה בן 14, החל ללמוד הנדסה בקולג' אוונס, אך מכיוון שאביו מת בשנת 1873 ואמו לא יכלה לתמוך בו כלכלית בזמן התמחותו נקטע מסלול חייו כמהנדס. כתוצאה מכך החל תומסון ללמוד פיזיקה ומתמטיקה בעזרת מלגה (מענק כספי) שקיבל מאוניברסיטת קיימברידג'. עד מהרה הכירו מוריו בכישוריו המיוחדים, ובעידודם הוא פרסם סדרת מאמרים במתמטיקה, באופן חריג לסטודנט לתואר ראשון.
קריירה
גילוי האלקטרון
מספר מדענים, כגון ויליאם פראוט (William Prout) ונורמן לוקיטר (Norman Lockyr), הציעו שאטומים בנויים מיחידה יותר בסיסית, אך סברו כי היחידה הזאת תהיה בגודל של האטום הכי קטן, מימן. תומסון, ב-1897, היה הראשון להוכיח שישנו חלקיק תת-אטומי, הקטן ביותר מפי 1,000 מהאטום, חלקיק שכיום ידוע כאלקטרון.
תומסון גילה זאת דרך מחקריו על שפופרת קרן קתודית. תומסון הציג את התאוריה שלו ב-30 באפריל 1897 בעקבות הגילוי שקרני קתודה (באותו זמן ידועות כקרני לנארד) יכולות לנוע דרך האוויר הרבה יותר רחוק ממה שאפשרי לחלקיק בגודל אטומי. הוא העריך את המסה של קרני הקתודה על ידי מדידת החום שנפלט כאשר הקרניים פגעו בצומת תרמית והשווה זאת לסטייה של הקרניים על ידי שדה מגנטי. הניסויים שלו הציעו לא רק שקרניים קתודיות קלות ביותר מפי 1,000 מאטום המימן, אלא גם שהמסה שלהם זהה ללא תלות ביסוד ממנו באו. הוא הסיק שהקרניים בנויות מחלקיקים מאוד קלים, בעלי מטען שלילי, חלקיקים המהווים רכיב אוניברסלי של מבנה האטומים. הוא קרא לחלקיקים האלה "קורפסל" (corpuscles), אבל לאחר מכן מדענים העדיפו את השם אלקטרון, שהוצע על ידי ג'ורג' ג'ונסטון סטוני ב-1891, עוד לפני הגילוי של תומסון.
באפריל 1897, לתומסון היו רק סימנים מוקדמים שקרניים קתודיות יכולות להיות מוסטות על ידי שדה חשמלי (חוקרים קודמים כמו היינריך רודולף הרץ חשבו שזה לא אפשרי). חודש לאחר ההצהרה של תומסון על הקורפסל (אלקטרון), הוא מצא שהוא יכול באופן אמין להסיט את הקרניים על ידי שדה חשמלי אם הוא יוצר לחץ נמוך מאוד בשפופרת הקתודית. על ידי השוואה של סטיית הקרניים הקתודיות בהשפעת שדה מגנטי ושדה חשמלי הוא השיג מדידות יותר ודאיות של יחס מטען למסה ואישש את ההשערות הקודמות שלו. זו הפכה לשיטה קלאסית למדידת המסה והמטען של האלקטרון. תומסון האמין שהקורפסלס (אלקטרונים) הגיעו מהאטומים של הגז שנותר בשפופרת לאחר שאיבתה. לפיכך, הוא הסיק שהאטומים ניתנים לחלוקה, ושהקורפסלס הם מאבני הבניין שלהם.
ב-1904 תומסון הציע מודל של האטום, לפיו האטום הוא כדור של חומר טעון חיובית ובתוכו מפוזרים האלקטרונים, כך האלקטרונים בעלי המטען השלילי מאזנים את המטען החיובי של החומר בתוכו הם נמצאים ולכן המטען הכולל של האטום הוא נייטרלי. המודל נקרא "עוגת הצימוקים" ובשמות נוספים דוגמת "פודינג שזיפים" (plum pudding). בתוכו האלקטרונים נראים משובצים בתוך תווך בעל מטען חיובי כמו שזיפים בפודינג שזיפים (למעשה במודל של תומסון האלקטרונים לא היו נייחים אלא נעו במהירות בהתאם לכוחות האלקטרוסטיים באטום).
גילוי האיזוטופים
בפינה הימנית למטה סימונים שנוצרו על ידי שני איזוטופים של ניאון: ניאון-20 וניאון-22
ב-1912, כחלק ממחקרו על הרכב זרמים של חלקיקים טעונים חיובית, שנקראו אז קרני תעלה (canal rays), תומסן ועוזר המחקר שלו פרנסיס ויליאם אסטון, תיעלו זרם של יוני ניאון דרך שדה מגנטי וחשמלי ומדדו את ההיסט על ידי הנחת לוח צילום במסלול הזרם. הם זיהו שני אזורים של אור על לוח הצילום, כלומר שני היסטים שונים, והסיקו שהניאון מכיל אטומים משתי מסות אטומיות שונות (ניאון 20 וניאון 22), כלומר שני איזוטופים. זו הייתה ההוכחה הראשונה לאיזוטופים של יסוד יציב; קדם להם פרדריק סודי שהציע את קיומם של איזוטופים כדי להסביר את הדעיכה של יסודות רדיואקטיביים מסוימים.
