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영국의 패러데이는 음극선관을 처음으로 연구하게 시작했고, 음극선관에서 발생하는 음극선을 연구하는 과정에서 처음으로 전자가 발견되었다. 패러데이는 유리관의 양끝에 전기를 연결하면 음극에서 무엇인가가 나와 플러스극으로 흘러간다는 것을 발견하고 이를 음극선이라고 불렀다. 그런데 음극에서 나오는 음극선은 유리관 내부 공기에 의해 방해를 받아 제대로 흐르지 못했다. 그래서 유리관 내부의 공기를 빼내고 진공으로 만들어 양끝에 전기를 연결하여 음극선관을 만들었다. 

당시 진공 기술이 좋지 않아서 초기 음극선관은 성능이 불안정하였다. 이후 독일 유리기구 제작자이자 엔지니어인 가이슬러가 진공도를 높여 완성도 높은 음극선관을 만들어냈는데 이를 가이슬러 관이라고 부르게 되었고 이후 영국의 크룩스가 진공도를 더욱 높여 만든 음극선관을 만들어 크룩스 관으로 부르게 되었다.

독일의 븨르츠부르크 대학교수였던 뢴트겐은 1894년부터 음극선의 성질에 대한 연구를 위해 음극선관을 이용해 다양한 실험을 하였다. 그 과정에서 음극선을 금속판에 쏘는 실험을 진행하다가 음극선관에서 종이를 관통하는 강한 빛이 나온다는 사실을 발견했다.

1895년 12월 22일에 뢴트겐은 음극선관에서 나오는 이 빛을 가지고 부인의 손을 찍었고, 그 결과 손 안에 있는 뼈와 반지 등이 선명하게 나타난 사진이 나오게 된다. 뢴트겐이 바로 X-선을 발견한 것이다. 뢴트겐의 X-선 발견으로 과학자들은 음극선과 음극선에 더욱 많은 관심을 가지기 시작했다.

이후 음극선의 정체를 파악하기 위한 많은 실험들이 진행되었다. 그 중에서도 음극선이 기체와 부딪힐 때발생하는 빛에 대한 연구가 선행되었다. 음극선은 관 안에 들어있는 기체 분자와 충돌하면서 여러가지 색깔의 빛을 낸다. 이러한 연구와 실험결과는 후에 원자 구조 연구에 기초가 된다. 

이와 함께 음극선이 형광물질에 부딪힐 때 발생하는 형광에 대하 연구도 진행되었다.  이러한 연구는 형광물질을 이용하여 음극선이 어디에 부딪히는지 알 수 있게 되어 음극선 연구에 큰 도움이 되었다. 

영국의 톰슨은 이러한 음극선에 대한 연구를 바탕으로 음극선은 전자의 흐름이라는 사실을 밝혀냈다. 톰슨은 음극선을 이용하여 매우 중요한 세가지 실험을 진행하였다.

첫번째는 음극선에서 음극의 전하를 가진 입자들을 분리할 수 있는가에 대한 실험이였다. 음극선관 주위에 자기장을 걸어 음극선의 흐름을 휘어지게 하면 자기장을 무시한채 똑바로 나가는 물질이 있는지를 관찰했다. 이 실험을 통해 그는 음극선에는 자기장 내에서 똑바로 진행하는 것은 존재하지 않음을 확인했다. 그것은 곧 음극선이 음전하를 띤 입자의 흐름 외에 다른 어떤 것을 포함하고 있지 않다는 의미였다.

두번째 실험은 음극선에 전기장을 걸었을 경우 음극선이 휘어지는지를 조사했다. 이 실험은 이전에 많은 과학자들이 시도했지만 모두 실패했던 실험이다. 톰슨은 이같은 실패가 관 내부의 진공상태가 불안정했기 때문이라고 생각하고, 진공정도를 높여 다시 실험했다. 결과는 음극선이 양극 쪽으로 휘어지는 것을 볼 수 있었다. 그것은 음극선이 음전하를 띤 입자들의 흐름이라는 것을 다시 확인시키는 것이였다. 

마지막 실험은 전기장 안에서 음극선이 휘어져나가는 정도를 측정하여 음극선을 구성하는 알갱이의 전하와 질량의 비를 결정하는 실험이였다.

4개월여에 걸친 이러한 실험을 진행한 톰슨은 1897년 영국 왕립연구소에서 음극선에 대한 실험결과를 발표했다. 톰슨이 측정한 음극선 입자의 전하와 질량의 비는 수소 이온의 전하와 질량의 비보다 1,840배 크며, 이것은 해당 입자가 음전하를 띠고 있으며 수소원자보다 훨씬 더 가벼운 입자라는 것을 의미했다. 톰슨은 해당 입자를 미립자라고 불렀다.

톰슨은 이 미립자가 물질 내에 있는 원자에서 나온다고 주장했고, 이는 원자가 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 알갱이가 아니라는 뜻이였다. 톰슨은 여기서 한발 더 나아가 모든 원자는 골고루 퍼져있는 양성자에 전자들이 여기저기 박혀있는 원자모형을 제안했다. 

미국의 밀리컨은 전자가 가지고 있는 전하량을 최초로 측정해냈다. 밀리컨은 1913년 기름방울 실험을 통해 전자의 전하량을 알아냈고, 전자의 전하와 질량의 비에 전하량을 대입시켜 전자 하나의 질량을 계산해냈다.