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由真空管中带负电的金属电极发出的阴极射线原来就是带负电的电子。而原子是电中性的，从逻辑上便直接可以得出原子中一定还存在与电子相反的带正电的东西，原子中的带有负电荷的电子是从带正电的东西中分离出来的。维尔茨堡大学的威廉·韦恩在1898年首次研究了这种带正电的射线，指出组成这种射线的粒子比电子重得多，因此，我们可以将其看作缺少了一些电子的原子。在阴极射线方面的工作之后，汤姆逊曾经挑战于用一系列极其复杂的实验来研究这种带正电的射线，此项工作一直持续到20世纪20年代。我们现在将这种粒子称为电离的原子或者简称为“离子”；但在汤姆逊时代却被称为阳极射线。在实验中阴极射线管中保留有一部分空气，电子在这些气体中运动与气体的原子碰撞，将原子中的其他电子打出来，留下了带正电的离子。对待这些离子可以像汤姆逊对待电子那样实施电、磁场操作。到1913年汤姆逊研究组已对氢、氧和其他气体的正离子进行了电磁偏转测量。汤姆逊在实验中使用过一种氖气，电子流通过稀薄氖气的真空管时发出一种明亮的光。汤姆逊的实验仪器正是现代霓虹管的原型。可是他的发现的重要性远远地超出了霓虹灯在广告中的运用。
所有电子都具有相同的荷质比（e/m），但是在实验中却发现了三种不同的氖离子，它们都具有与电子相等的电荷量（只不过是＋e，而不是电子的－e），但他们具有的质量却各不相同。这是首次发现化学元素包含具有不同质量的但是却具有相同化学性质的原子。这种在化学元素上的变异现在称为“同位素”，但是寻找这个现象的解释却是费了很长一段时间。现在汤姆逊已有足够的信息建立对原子内部结构的初步解释了。原子不再像几位古希腊哲学家所认为的那样是一种看不见的终极粒子，而是带正电荷粒子与带负电荷粒子的混合物，电子可以被打出来。
汤姆逊把原子想象为有点像西瓜似的东西，球面分布着正电荷，电子像西瓜籽那样散于其中，每个电子带着它自己的一点负电荷。虽然结果发现他是错误的，但他毕竟给科学家们一个方向，这个方向导致对原子结构更为精细的理解。要知道是怎样做的，首先让我们对科学史进行回顾，然后再着眼于现在与将来。