Spektrite ja spektraalanalüüsi avastamine oli esimeseks sammuks teel aatomisiseste mikronähtuste maailma. Uks sinna oli olemas, kuid seda ei suudetud kaua avada. Edu saavutati kõigepealt seal, kus areenile tulid üksikud mikroosakesed. Alustajaks oli siin sõltumatu uurija William Crookes (1832–1919) – mees, kes oma Londoni eralaboratooriumis tegeles nii keemia ja füüsikaga kui ka teiste loodusteaduste ja koguni spiritismiga. 1861. a. avastas ta spektraalanalüütiliselt talliumi ja 1862 eraldas selle. 1873. a. leiutas ta radiomeetri ja 1903. a. spintariskoobi. Teaduslike teenete eest sai ta aastal 1897 baroneti tiitli, oli aastast 1863 Londoni Kuningliku Seltsi liige ja 1913–15 selle president. Tema eriliseks huviobjektiks olid elektrinähtused hõrendatud gaasides ehk tavakeeles vaakumis. See oli kapriisne uurimisala, sest vaakumtehnika oli veel algeline ja tulemusi oli raske tõlgendada.

Elektrilahendust vaakumis oli aastal 1706 hakanud uurima juba Francis Hauksbee (Hawksbee, 1660–1713), kuid suuremat edu saavutati alles pärast seda, kui H. Geissler (vt. VII § 2.6) oli 1855. a. leiutanud elavhõbe-vaakumpumba. 1869. a. täheldasid J. Plücker (vt. VII § 2.6) ja Johann Wilhelm Hittorf (1824–1914) vaakumtoru seina fluorestsentsi elektrilahenduse ajal. 1871. a. selgitas Cromwell Fleetwood Varley (1828–83) seda nähtust mingi katoodilt väljuva agendi löökidega vastu seina. Seda agenti hakkas Eugen Goldstein (1850–1930) aastal 1876 nimetama katoodkiirteks ning näitas, et need väljuvad katoodilt risti selle pinnaga ja levivad sirgjooneliselt. Esialgu pidas ta neid olemuselt valgusetaolisteks, vaatamata sellele, et valgus kiirgunuks pinnalt kõigis suundades, katoodkiired levisid aga ainult ristsuunas. Kui 1880. a. avastati katoodkiirte kõrvalekaldumine magnetväljas ja 1882. a. nende difuusne hajumine anoodilt, pidi Goldstein oma seisukohti mõnevõrra revideerima, kuid pidas neid kiiri ikkagi lainenähtusks – pikilaineteks.

Olgu märgitud, et katoodkiirte uurimise kõrvalproduktina avastas E. Goldstein 1886. a. nn. kanalkiired. Need on positiivsete ioonide vood, mis tekivad madalrõhu gaaslahendustorus katoodi ja anoodi vahelises ruumis täitegaasi ioniseerimisel ning satuvad läbi katoodi avade (kanalite) katooditagusesse ruumi.

W. Crookes näitas 1879–80, et katoodkiired avaldavad mehaanilist mõju: nad panevad pöörlema tema kiirgusmõõdiku, radiomeetri tiiviku, ning tekitavad varju – ei läbi õhukest metallristi – ja seega levivad sirgjooneliselt. Arvestades veel nende kõrvalekaldumist magnetväljas, pidas Crookes katoodkiiri „kiirguslikuks mateeriaks“, aine neljandaks agregaatolekuks, „mis erineb gaasist sama palju nagu gaas vedelikust“. Tema arvates tekivad katoodkiired lahendustoru jääkgaasidest ja katoodile langedes laaduvad negatiivselt. Seda molekulaarset hüpoteesi toetasid paljud.

H. Hertz, kellel ei õnnestunud mõjutada katoodkiiri elektriväljaga, kaldus omistama neile lainelist olemust. Ta näitas, et kiired läbivad õhukest alumiiniumfooliumi. Seda tähelepanekut arendas edasi Hertzi õpilane Philipp Lenard (1862–1947), kellel 1894. a. õnnestus juhtida katoodkiiri läbi õhukese metallakna torust välja ja tekitada fluorestsentsi väljaspool toru. Jean Baptiste Perrin (1870–1942) näitas 1895. a., et katoodkiirte mõjul laadub nende teele asetatud metallsilinder negatiivselt. Perrini järeldus, mille kohaselt katoodkiired on negatiivse laengu kandjad, ei olnud laineteooria pooldajate meelest veenev. Nad küll ei eitanud, et katoodist väljuvad negatiivse laenguga osakesed, kuid nende arvates ei saanud väljunud osakesed olla selleks agendiks, mis tekitab lahendustoru seinal fluorestsentsi.

Selle vastuväite kummutas 1897. a. Joseph John Thomson (1856–1940), kes kordas Perrini katset magnetväljas kallutatud katoodkiirtega ja näitas, et koos kiirtega kaldub kõrvale ka fluorestseeruv laik toru seinal. Samal aastal õnnestus Thomsonil kallutada katoodkiiri ka elektriväljas. Ta seletas Hertzi samalaadsete katsete eba-õnnestumist sellega, et nõrga vaakumi tõttu neutraliseerib jääkgaas välise elektrivälja mõju. Küllap oli põhjus ka selles, et laetud osakeste kiirus on väga suur ja seetõttu mõjub elektriväli osakesele katseskeemis ülilühikese aja jooksul, magnetväljas mõjuv jõud on aga võrdeline ka osakese kiirusega. Kombineerides nüüd elektri- ja magnetvälju, määras Thomson seejärel osakeste erilaengu e/m; osutus, et nende mass on 1837 korda väiksem vesiniku aatomi massist, kiirus aga on suurusjärgus 1⁄10 valguse kiirusest ja sõltub torus rakendatud potentsiaalist. Nii oli avastatud elektron. Seejuures langeb Thomsoni määratud erilaengu väärtus e/m = 1,7 · 10⁸ C g^–1 üllatavalt hästi kokku tänapäevasega (1,75888 ± 0,00003) · 10⁸ C g^–1.

Ei ole selge, kas Thomson seda teadis, kuid juba 1890. a. oli rohkem füüsika ajaloolasena tuntud Arthur Schuster (1851–1934) püüdnud määrata katoodkiirte kõrvalekaldumise järgi magnetväljas osakeste erilaengut ja saanud oodatust tuhat korda suurema väärtuse. Tema tulemus jäi tähelepanuta.

1897. a. avastas Charles Thomson Rees Wilson (1869–1959), et küllastatud veeaurus osutub laetud osake kondensatsioonitsentriks, mille ümber võivad tekkida mikroskoobis vaadeldavad veeauru piisakesed. See võimaldas piisakesi mikroskoobis jälgides kompenseerida raskusvälja staatilise elektriväljaga ja otseselt määrata elektroni laengut; vastavad mõõtmised tegid 1899. a. J. J. Thomson ja Harold Albert Wilson (1874–1964). 1911. a. konstrueeris Charles Wilson nn. Wilsoni kambri, seadme laetud osakeste jälgede vaatlemiseks ja fotografeerimiseks (vt. XI § 2.2).

Elektri atomismi idee oli selleks ajaks õige laialt levinud. Juba Faraday oli võtnud kasutusele iooni mõiste ja omistanud ioonile kindla muutumatu laengu. George Johnstone Stoney (1826–1911) arendas elektri atomismi ideed edasi, hindas 1874. a. ühevalentse iooni laengu suurust (avaldas selle 1881). 1891. a. pakkus Stoney välja termini elektron, tähistamaks ühevalentse iooni laengut (elementaarlaengut). Alles 20. sajandi algusaastail hakati P. Drude ettepanekul nimetama elektroniks negatiivset elementaarlaengut kandvat osakest. W. Weber oli juba aastast 1846 propageerinud elektriaatomi ideed ja avaldanud lootust, et elektriaatomite liikumisega mingi tuuma ümber võib seletada soojus- ja valgusnähtusi. Seda suunda hakkas intensiivselt arendama H. Lorentz oma elektroniteoorias (VII § 7.8).

Nobeli füüsikaauhinna said 1905. a. P. Lenard katoodkiirte uurimise eest, 1906. a. J. J. Thomson uurimuste eest laetud osakeste liikumisest vaakumis, 1926. a. J. Perrin uurimuste eest aine struktuuri kohta ja sedimentatsiooni tasakaalu avastamise eest ning 1927. a. Charles Wilson Wilsoni kambri loomise eest.