Сначала Джозеф пропускал рентгеновские, радиационные и катодные лучи (потоки электронов, испускаемые отрицательным электродом — катодом) через разреженные газы и наблюдал, как их молекулы приобретают заряд, превращаясь в положительные и отрицательные ионы. Попутно ученый выяснил, что если разность потенциалов в газе небольшая, то, согласно закону Ома, с падением напряжения (давления, оказываемого на электроны) сила тока тоже уменьшается. А вот с ростом напряжения сила тока, как ни странно, падала, что противоречило закону Ома, но стоило только увеличить напряжение до максимума, как ток резко возрастал и газ разряжался с искрами, похожими на молнию.
Далее Томсон переключился на вакуумные трубки, внутри которых возбуждалось катодное излучение, и поставил целый ряд экспериментов. В первой группе опытов он воздействовал на лучи магнитным полем и увидел, что они сильно искривляются. На втором этапе Томсон задумал пронаблюдать за поведением лучей в электрическом поле (поскольку, как тогда уже знали, оно тесно связано с магнитным) и изготовил трубку полностью без воздуха, дабы исключить его влияние на направление потока. Подобные опыты немецких ученых провалились именно из-за того, что вакуумная среда содержала немного воздуха, но Томсон сделал все, чтобы такого не случилось, и катодный луч отклонился, причем по направлению было видно, что заряжен он отрицательно.
Третий этап начался еще с одного усовершенствования трубки: теперь ее устройство стало сложнее, а торец был покрыт особым составом, реагирующим на свет. С помощью этого прибора ученый смог максимально точно определить угол искривления луча, а затем, используя полученные данные, вычислил удельный заряд отдельной частицы — отношение ее заряда к массе. Данное число в тысячи раз превышало удельный заряд положительного иона водорода, а это свидетельствовало о том, что исследуемые частицы гораздо меньше атомов, но электричества в них несравненно больше.
Томсон поэкспериментировал с катодными лучами, помещая их в электростатическое и магнитное поля одновременно, с ультрафиолетом и даже с нагретыми до белого каления металлами. Измеряя и сравнивая соотношения заряда и массы излучаемых частиц, ученый убедился, что результаты идентичны, и заключил: лучи, испускаемые катодной трубкой, представляют собой поток мельчайших заряженных «корпускул» (так Томсон назвал электроны), и из этих «деталей» сложены абсолютно все атомы, в том числе водород. Вещество, из которого сделан катод, так же как и состав среды, где распространяются лучи, не влияет на удельный заряд частиц, а по массе каждая из них более чем в 1830 раз уступает водородному атому.