แบบจำลองอะตอมของทอมสัน เกิดจากการที่นักวิทยาศาสตร์หลายท่านพยายามศึกษาหาข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อนำไปอธิบายข้อมูลบางประการที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีอะตอมของดอลตัน เช่น อะตอมสามารถแบ่งแยกได้ โดยจะประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าต่าง ๆ ต่อมา เซอร์วิลเลียม ครูกส์ ได้ศึกษาเกี่ยวกับการสร้างประจุไฟฟ้าโดยให้ศักย์ไฟฟ้าผ่านหลอดที่สูบอากาศออกเกือบหมด ซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าแรงสูงเข้าไป พบว่า เกิดรังสีขึ้นภายในหลอด โดยรังสีจะเคลื่อนที่จากขั้วแคโทด (ขั้วลบ) ไปยังขั้วแอโนด (ขั้วบวก) ครูกส์เรียรังสีชนิดนี้ว่า รังสีแคโทด และเรียกหลอดแก้วชนิดนี้ว่า หลอดรังสีแคโทด

ต่อมา เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดโดยเจาะรูที่ตรงกลางขั้วแอโนด แล้วนำฉากเรืองแสงไปวางไว้ข้างหลังขั้วแอโนด

จากนั้นทอมสันได้เพิ่มขั้วไฟฟ้าเข้าไปในหลอดรังสีแคโทด เพื่อทดสอบสมมติฐานที่ว่า อะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ และต้องการจะทราบว่าเป็นประจุไฟฟ้าบวกหรือลบ พบว่า รังสีแคโทดเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า และทดสอบการเบี่ยงเบนของรังสีแคโทดในสนามแม่เหล็ก พบว่า รังสีแคโทดเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กเข้าหาขั้วเหนือ ผลการทดลองนี้แสดงให้เห็นว่า รังสีแคโทดมีประจุลบ

ทอมสันได้ทดลองเปลี่ยนชนิดของแก๊สที่บรรจุในหลอดรังสีแคโทด พบว่าได้ผลการทดลองเหมือนเดิม และเมื่อได้คำนวณหาอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาค ได้ค่าเท่ากับ 1.76 x 10⁸ คูลอมบ์/กรัม

จากการทดลองและการคำนวณ ทอมสันจึงสรุปได้ว่า อนุภาครังสีแคโทดมีประจุลบ และเรียกอนุภาคดังกล่าวว่า อิเล็กตรอน (electron) 

ต่อมา ออยเกน โกลด์ชไตน์ ได้ดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดใหม่ โดยเจาะรูที่ขั้วแคโทดในหลอดรังสีแคโทด พบว่า เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอดรังสีแคโทดจะมีอนุภาคชนิดหนึ่งเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงไปในทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของรังสีแคโทดผ่านรูของขั้วแคโทด และทำให้ฉากด้านหลังขั้วแคโทดเรืองแสงได้ โกลด์ชไตน์เรียกรังสีชนิดนี้ว่า รังสีคาแนล (Canal ray) ซึ่งรังสีนี้จะเบี่ยงเบนไปในทิศทางตรงข้ามกับรังสีแคโทด แสดงว่ารังสีนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก และพบว่าอัตราส่วนประจุต่อมวลไม่คงที่ ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สในหลอด เรียกอนุภาคบวกในรังสีคาแนลของไฮโดรเจนว่า โปรตอน (proton)

รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน หาค่าประจุ (e) และมวล (m) ของอิเล็กตรอน โดยทดลองเพื่อคำนวณหาประจุของอิเล็กตรอนโดยใช้วิธีหยดน้ำมัน เริ่มจากพ่นน้ำมันเป็นละออกเม็ดเล็ก ๆ ให้ตกลงมาระหว่างแผ่นโลหะ 2 แผ่น แล้วใช้รังสีเอ็กซ์ไปทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของแก๊สในอากาศ แล้วให้อิเล็กตรอนไปเกาะติดบนหยดน้ำมัน หยดน้ำมันบางหยดมีอิเล็กตรอนเกาะเพียงอนุภาคเดียว บางหยดมีอิเล็กตรอนเกาะหลายอนุภาค จึงทำให้หยดน้ำมันมีประจุลบ (หยดน้ำมันจะตกลงมาตามแรงดึงดูดของโลก จากนั้นผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปที่แผ่นโลหะทั้งสอง ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขึ้น โดยด้านบนเป็นขั้วบวกและด้านล่างเป็นขั้วลบ) หยดน้ำมันจึงเคลื่อนที่ตกลงมาช้า จากนั้นปรับค่าสนามไฟฟ้าให้เหมาะสมจนหยดน้ำมันหยุดนิ่ง ซึ่งแสดงว่าค่าแรงไฟฟ้ามีค่าเท่ากับแรงโน้มถ่วงของโลก คำนวณค่าประจุออกมาได้มีค่าเท่ากับ 1.602 x 10^-19 คูลอมบ์

เมื่อทราบค่าประจุของอิเล็กตรอน จึงสามารถคำนวณหามวลของอิเล็กตรอน โดยมวลของอิเล็กตรอน 1 อนุภาค มีค่าเท่ากับ 9.109 x 10^-28 กรัม

จากการทดลองดังกล่าวทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น และได้นำเสนอแบบจำลองอะตอมใหม่ขึ้นมาแทนแบบจำลองอะตอมของดอลตัน

สรุปทฤษฎีแบบจำลองอะตอมของทอมสัน

1. อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก (โปรตอน) และอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ (อิเล็กตรอน) กระจายอยู่ทั่วไป

2. อะตอมในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีประจุบวกเท่ากับประจุลบ

แบบจำลองอะตอมของทอมสันถือว่าเป็นความก้าวหน้าเกี่ยวกับการศึกษาแบบจำลองอะตอม เพราะทอมสันเป็นนักวิทยาศาสตร์ท่านแรกที่เสนอรายละเอียดภายในอะตอม ทำให้ภาพของอะตอมมีความชัดเจนขึ้น แต่ก็ยังไม่สามารถอธิบายผลการทดลองอื่น ๆ อีกมากได้ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงต้องมีการค้นคว้าเพิ่มเติม เพื่อนำเสนอแบบจำลองอะตอมที่มีความใกล้เคียงกับอะตอมของธาตุให้มากที่สุด

ปิตุพร พิมพาเพชร