湯姆孫1856年12月18日生於英國的曼徹斯特，他父親本是一個擺攤賣書報的小販，後來靠著自己的奮鬥成了一名專印大學課本的書商。他從自己的切身經曆中深知沒有知識的苦衷，便發誓要教子成才，請了家庭教師指導兒子的學業，並注意培養他的藝術素養。老湯姆孫雖是一名書商，可是因職業關係平時來往的卻都是曼徹斯特大學的教授，家裏也還有點兒書香氣。湯姆孫有嚴父督教，又有這樣一個環境熏陶，學業大進。十四歲便考進了曼徹斯特大學，二十歲被保送到劍橋大學三一學院，二十七歲就被選為皇家物理學會的會員。1884年，卡文迪許實驗室主任瑞利年老體衰宣布辭職，大家都等著看誰來繼任這個全歐洲學術界最引人注目的職位，結果瑞利卻推薦了湯姆孫，這年他才剛滿二十八歲。
這時，一場曠日持久的大爭論正在等待他的加入。十九世紀六十年代，英國物理學家克魯克斯發明了一種管子——克魯克斯管，在一個玻璃管裏嵌上相對的兩塊金屬板，兩板各與一條電路相連，一塊是陰極，一塊是陽極，當管內的空氣抽得越來越稀薄時，就會出現種種不同的顏色，這種光是由陰極發出的。它到底是什麽呢？以德國物理學家赫茲、列納德為首的一派認為陰極射線是類似於光的東西，是電磁波；以英國物理學家克魯克斯為首的一派認為，這是一束帶負電的粒子流。赫茲認為，既然是粒子流為什麽它能順利通過放在管內的它們路徑上的各種屏障，而又沒給屏上穿出洞呢？隻有波才有這種特性；克魯克斯說，既然是光一類的波，為什麽我把一塊磁鐵靠近管子時，它就發生偏轉呢？隻有帶電粒子才會受磁場的影響。這簡直就像當年牛頓和胡克、惠更斯爭論光的波粒性一樣，又是一場難斷的官司。雙方都是當時最知名的權威，這場辯論竟持續了二十多年沒有結果。就在1896年，湯姆孫正好四十歲時，英國科學促進會最高委員會將湯姆孫召來，要他的實驗室來解決這樁懸案。