在1884年湯姆生年僅28歲,就擔任英國劍橋大學卡文的斯(Cavendish)實驗室的主任。 這位被稱為「年輕小伙子」自己也感到十分驚訝,想不到這位年輕人卻使設備簡陋的實驗室 轉變成為世界上最負盛名的實驗核子物理重鎮。

  湯姆生和他的學生拉塞福是最早證實空氣被X射線游離。從這游離現象推導出游離輻射 (放射線),也就是由原子釋出能量範圍廣大的電磁波和粒子輻射。湯姆生最負盛名的貢獻 是探討陰極射線的性質,也就是電子的性質。他藉著電場以偏轉陰極射線;在過去是用磁場 使它子偏轉。他終於證實電子為帶負電的粒子。接著他又測定電子的質量,約為氫原子核 的二千分之一。在當時它子是被視為最小的粒子。

  電子是屬於次原子級的粒子,湯姆生是證明次原子級粒子存在的第一位,從此打開了 次原子級的門戶,導致他的高足拉塞福在核子物理領內的貢獻。後來湯姆生證實電子和物質相互作用的結果會產生X射線,而X射線和物質相互作用的 結果卻會產生電子。

  第一個原子模型也要歸功於湯姆生,也就是聞名的「葡萄乾布丁模型」。他繪出原子 為一球形,充滿了正電荷,同時也有相同數目的負電荷(電子)。在1906年湯姆生因在電子 和氣體導電兩方面的卓越成就,獲得諾貝爾物理獎。