اتضح أن أشعة الكاثود، الناتجة عن لوح ِ سالب الشحنة في أنبوب مفرغ من الهواء، عبارة عن جسيمات سالبة الشحنة، وهي الإلكترونات. أما الذرات فهي متعادلة كهربيا، ومن ً المنطقي تماما أن تكون هناك نظائر موجبةُ الشحنة للإلكترونات، والتي انفصلت عن الذرات المحتوية على جسيم سالب الشحنة وقُذفت خارجها. وقد كان فيلهلم فيني من ٍجامعة فورتسبورج من أوائل من درسوا هذه الأشعة الموجبة سنة ١٨٩٨، وتوصل إلى أن ِ الجسيمات المكونة لهذه الأشعة أثقل كثيرا من الإلكترونات، كما يُفترض بنا أن نتوقَّع ما إذا كانت هذه مجرَد ذرات فقدت إلكترونًا. وبعد أبحاثه على أشعة الكاثود أخذ طومسون ِ على عاتقه تحديات دراسة هذه الأشعة الموجبة في سلسلة من التجارب الصعبة امتدت حتى عشرينيات القرن العشرين. ويُطلَق على هذه الأشعة اليوم ذرات متأيِّنة، أو ببساطة» أيونات»، أما في أيام طومسون فكانت تُسمى الأشعةَ القنوية، وقد درس طومسون هذه ِالأشعةَ باستخدام أنبوب أشعة كاثود معدل، والذي كان يحتوي على قليل من الغاز الذي خلفته مضخة التفريغ. كانت الإلكترونات التي تتحرك خلال الغاز تتصادم مع ذراته، وتقذف إلكترونات أخرى خارجها تاركةً الأيونات الموجبة الشحنة، التي يمكن التعامل ِ معها بالمجالين الكهربي والمغناطيسي بالطريقة ِ نفسها التي تعامل بها طومسون مع الإلكترونات ِ نفسها. وبحلول سنة ١٩١٣ كان فريق طومسون يُجري قياساته على حيود الأيونات الموجبة للهيدروجين والأكسجين وغازات أخرى. وكان غاز النيون أحد الغازات ً التي استخدمها طومسون في هذه التجارب، ووجد أن مقدارا ضئيلا من النيون في الأنبوب المفرغ الذي يمر خلاله تيار كهربي يتوهج بشدة، ومن ثَم كان جهاز طومسون رائدا لأنبوب النيون الحديث. ولكن ما اكتشفه طومسون كان أهم بكثير من مجرد اكتشاف نوع جديد من اللافتات الإعلانية.

على عكس الإلكترونات، التي تتساوى جميعها في النسبة ما بين شحنة الإلكترون الكهربية وكتلته (e/m)، فقد اتضح وجود ثلاثة أيونات مختلفة للنيون، لها جميعا كميةُ الشحنة نفسها مثل الإلكترون (لكنها+ e بدلا من- e ), وتختلف في الكتلة. وكان ذلك ِ أول َ دليل على أن العناصر الكيميائية تحتوي عادةً على ذرات لها كتلة مختلفة ِ (أوزان ذرية مختلفة) لكنها لها جميعا الخواص الكيميائية نفسها. يُطلَق الآن على هذه التغيرات الحادثة في العناصر اسم «النظائر»، ٌ إلا أنه قد مضى وقت ٌ طويل جدا قبل أن يُتوصل إلى تفسير لوجودها. ومع ذلك، كان لدى طومسون معلومات كافية ليبدأ أولى محاولات ُ تفسير ماهية الذرة وشكلها من الداخل؛ فهي ليست جسيما نهائيا غير قابل للانقسام —  كما كان يظن قليل من الفلاسفة الإغريق — بل هي مزيج من شحنات موجبة وسالبة، يمكن أن تنفصل عنها الإلكترونات وتُقذف خارجها.

تصور طومسون الذرةَ شيئا أشبه بالبطيخة، كرة كبرية نسبيا تنتشر خلالها الشحنة الموجبة، والإلكترونات الصغيرة مضمنة داخلها مثل البذور، ويحمل كل ً منها مقدارا ضئيلا من الشحنة السالبة خاصا به. وقد اتضح خطؤه، لكنه قدم للعلماء هدفا يوجهون إليه أبحاثهم، وقد أدت تجاربهم البحثية حول هذا الهدف إلى فهم أكثر دقة لتركيب الذرة وحتى نرى كيف حدث ذلك، علينا أن نرجع خطوةً إلى الوراء في تاريخ العلوم، ثم نتقدم خطوتين.