种粒子必须比原子小得多，并且有非常大的质荷比，这种未知的带负电粒子现在被称为「电子」。汤姆孙在1913年也发现了稳定元素同位素的第一个证据，这是他在探索德国物理学家欧根·戈尔德斯坦在1886年发现的阳极射线的过程中的成果之一。他与另一位英国物理学家弗朗西斯·阿斯顿一起确定带正电粒子的性质的实验是质谱法的第一次使用，并导致了质谱仪的发展。1898年，苏格兰物理学家詹姆斯·杜瓦用及他所发明的真空保温瓶，首次制成液氢。翌年，他又制成固体氢。约瑟夫·汤姆孙发现带负电的电子，这暗示中性原子内也应该有带正电荷的粒子