约瑟夫·约翰·汤姆孙（1856年12月18日—1940年8月30日）是英国物理学家。他对气体导电现象的研究确立了电子作为物质组成部分的地位。1897年，他的实验表明，阴极射线由带负电的粒子组成，其质量远小于原子。他因对气体导电的理论与实验研究而获得1906年诺贝尔物理学奖。此后的研究包括原子结构模型，以及根据质荷比区分带电原子的方法。(nobelprize.org)
教育与剑桥生涯
汤姆孙出生于英格兰曼彻斯特附近的奇瑟姆希尔。他于1870年进入欧文斯学院，1876年进入剑桥大学三一学院。1880年，他以剑桥大学数学荣誉学位考试第二名的成绩毕业，并成为三一学院研究员。他的早期研究将数学与理论物理学相结合，其中关于涡环的研究获得了1884年亚当斯奖。(nobelprize.org)
1884年，27岁的汤姆孙接替瑞利勋爵，出任剑桥大学卡文迪许实验物理学教授。他担任这一教职直至1918年，随后出任三一学院院长。他在卡文迪许实验室的职业生涯，横跨了从19世纪电磁现象研究向亚原子物质实验研究转变的时期。剑桥大学的校史将他于1897年发现电子视为这一发展过程中的关键事件。(nobelprize.org)
阴极射线与电子
在装有低压强气体的玻璃管中进行放电，可以产生阴极射线。当时，人们对其本质存在争议：一些解释将其视为一种辐射，另一些则认为它是粒子流。汤姆孙研究了阴极射线与负电荷的关系、它在电场中的偏转，以及它对磁场的响应。他的实验装置让一束狭窄的射线穿过金属部件上的孔，从而能够考察射线的路径及其携带的电荷。(webserver.lemoyne.edu)
实验中的一个重要困难是，残余气体在射线作用下会变得导电，从而可能屏蔽外加电场。通过将管内抽成更高的真空，汤姆孙观察到了明显的电场偏转。偏转方向与带负电粒子的行为相符。结合电场和磁场测量，他得以确定这些粒子的速度和质荷比，而不是分别测量其质量与电荷。(webserver.lemoyne.edu)
测得的质荷比远小于氢离子的质荷比，而且在使用不同气体或电极材料时仍大致不变。汤姆孙认为，这些结果表明，物质中存在一种共同的组成粒子，其尺度小于通常的化学原子。他将这些粒子称为“微粒”。因此，他的关键论断不仅是阴极射线携带电荷，更是这些电荷载体属于亚原子粒子，而且为不同物质所共有。1897年4月30日，他在英国皇家研究院公开宣布了自己的结论。(webserver.lemoyne.edu)
气体导电
电子实验是汤姆孙对气体如何变得导电这一更广泛研究的一部分。他研究了由多种机制产生的带电载流子，包括X射线照射，以及其他引起电离的过程。在诺贝尔演讲中，他区分了质量极轻的负电载流子与其他气体放电现象中出现的、质量大得多的带电粒子。他还强调，同样的轻质负电载流子可以从不同来源获得。(nobelprize.org)
因此，诺贝尔奖所表彰的是一项广泛的研究工作，而非单一实验。汤姆孙将对粒子运动、电荷和放电现象的测量与对物质的理论解释联系起来。他的著作《气体导电》于1903年首次出版，系统阐述了这一领域，后来又推出了与其子合著的增订版。(nobelprize.org)
原子结构
1904年，汤姆孙发表了一个数学模型，其中带负电的微粒在正电荷均匀分布的球体内运动。这一模型通常称为葡萄干布丁模型，描述的是一种电中性的原子，没有集中于中心的原子核。汤姆孙考察了包括环状排列在内的粒子排列方式的稳定性与振动，并试图将这些排列方式与化学元素的性质联系起来。常见示意图把电子画成静止地嵌在带正电的物质中，但他的模型实际上具有更丰富的动态特征。(gilles.montambaux.com)
此后，欧内斯特·卢瑟福以原子核解释粒子散射，取代了这一正电荷弥散分布的模型。利用高能α粒子进行的测量表明，原子的电荷和大部分质量集中在一个极小的原子核中。尽管如此，汤姆孙的模型仍为计算亚原子粒子如何产生原子性质提供了明确的框架，其提出时间早于卢瑟福和尼尔斯·玻尔的模型。(arxiv.org)
阳极射线与同位素
汤姆孙还研究了正离子束。通过电场和磁场引起的偏转，可以区分质荷比不同的粒子，这推动了质谱法的发展。他与弗朗西斯·阿斯顿合作开展的研究提供了证据，表明氖包含质量分别接近20和22的组分，尽管二者具有相同的化学性质。这些观测成为非放射性元素存在同位素的重要证据。阿斯顿随后研制出更精确的质谱仪，并将同位素测量扩展到许多元素。(nobelprize.org)
荣誉与家庭
汤姆孙于1884年当选英国皇家学会会士，并于1915年至1920年担任该学会会长。他于1908年获授爵士称号。1890年，他与罗丝·伊丽莎白·佩吉特结婚，育有一子一女。他们的儿子乔治·佩吉特·汤姆孙因通过实验发现晶体对电子的衍射现象，与克林顿·戴维孙共同获得1937年诺贝尔物理学奖。约瑟夫·约翰·汤姆孙于1940年8月30日在剑桥逝世。(pictures.royalsociety.org)