Sir Joseph John Thomson
Quelle: Wikipedia

Neben der Bestimmung der spezifischen Ladung e/m ist das Fadenstrahlrohr sehr gut geeignet, Bewegungen von geladenen Teilchen, also vom Elektron im Magnetfeld sichtbar zu machen. Durch die Anregung der Gasatome im Fadenstrahlrohr wird die Bahn der Elektronen sichtbar und kann sehr gut beobachtet werden. 

Dies ermöglicht auch, eines der beeindruckendsten Naturschauspiele, die sogenannten Polarlichter (auf der Nordhabkugel: Aurora borealis; auf der Südhalbkugel: Aurora australis), zu simulieren.

Die Bedeutung der Entdeckung des Elektrons ist für viele Gebiete der Naturwissenschaften enorm. Für die Chemie sind die Eigenschaften und Wechselwirkungsprozesse der in der Atomhülle gebundenen Elektronen entscheidend. Das Verhalten von Elektronen bestimmt grundlegend Vorgänge in der Elektronik und der Elektrotechnik, auch für die Halbleitertechnik ist dieses von großer Bedeutung. Deshalb ist es sehr wichtig, möglichst viele Eigenschaften des Elektrons detailliert zu erforschen. 

1909 gelang es Robert Millikan, die Elementarladung eines Elektrons zu bestimmen. Ein Versuchsaufbau ähnlich dem, mit dessen Hilfe ihm das gelang, ist als Millikan-Versuch an vielen Schulen vorhanden. Die Welleneigenschaften von Elektronen wurden erstmals 1927 von Davisson und Germer nachgewiesen, das Experiment sowie viele für die Schule relevante weitere Aspekte werden auch im Kapitel Elektronenbeugung in diesem Buch dargestellt. Die Masse des Elektrons war die erste Größe, die bereits kurz nach ihrer Entdeckung 1897 bestimmt werden konnte. Da die Elektronenmasse genau wie die Elementarladung einen großen Stellenwert in der Physik bzw. in den Naturwissenschaften hat, wurden und werden die Methoden im Laufe der Jahre immer weiter optimiert und die Werte konnten immer präziser bestimmt werden, siehe z. B. hier. Das Fadenstrahlrohr bietet eine einfache Möglichkeit, in der Schule die sogenannte spezifische Ladung e/m des Elektrons zu bestimmen, und damit bei bekannter Elementarladung auch die Masse des Elektrons. Das Funktionsprinzip des Fadenstrahlrohrs ist sehr ähnlich wie das eines Massenspektroskops, welches z. B. zur Bestimmung der Massen verschiedener Isotops eines Elements eingesetzt wird.

Etwa um die gleiche Zeit entdeckte Eugen Goldstein eine weitere Art von Strahlen die am anderen Ende der Gasentladungsröhre hinter der Kathode auftraten. Er nannte sie Kanalstrahlen, weil sie durch eine Bohrung in der Kathode austraten. Auch diese Strahlen sind durch elektrische und magnetische Felder ablenkbar, besitzen also den Charakter geladener Teilchen. Wilhelm Wien bestimmte im Jahre 1897 bei ihnen das Verhältnis aus Ladung und Masse und folgerte daraus, dass es sich bei den Kanalstrahlen um positive Ionen des Füllgases handeln müsse.

Lange war man davon ausgegangen, dass Atome unteilbar sind und die kleinsten Bausteine der Materie darstellen. Im Jahr 1897 entdeckte zunächst Emil Wiechert (1861-1928) und kurz darauf  Joseph John Thomson (1856-1940), dass dies nicht der Fall ist und es noch kleinere Teilchen geben muss, aus denen die Atome aufgebaut sind. Thomson erhielt für seine Forschungen im Jahre 1906 den Physik-Nobelpreis.

Thomson untersuchte so genannte Kathodenstrahlen, die bei Experimenten mit Gasentladungsröhren zu beobachten waren. Sie schienen von der Kathode auszugehen und verursachten Fluoreszenzerscheinungen am Ende der Glasröhre. Thomson konnte nachweisen, dass sich die Kathodenstrahlen durch elektrische und magnetische Felder ablenken ließen, und schloss daraus, dass es sich um elektrisch negativ geladene Teilchen handeln müsse. Messungen des Verhältnisses aus Masse zu Ladung erlaubten Abschätzungen, nach denen die Masse der Teilchen um mehr als 3 Zehnerpotenzen unter der des bis dahin bekannten leichtesten geladenen Teilchens, des Wasserstoffions, lag. Außerdem zeigte sich, dass die gleichen Teilchen unabhängig von der jeweiligen Gasfüllung der Röhre auftraten. Thomson hielt diese Teilchen, die Elektronen, in der Folge für Bausteine, die für für den Aufbau aller Atome bedeutsam sein sollten.