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Già nel XIX secolo si supponeva che la carica elettrica fosse trasportata in quantità ben definite e costanti da particelle elementari. Gli esperimenti sulla conduzione dell'elettricità attraverso i gas a bassa pressione portarono a due importanti scoperte: i raggi catodici, che vengono emessi dall'elettrodo negativo di un tubo a scarica, e i raggi canale, emessi dall'elettrodo positivo. L'esperimento condotto nel 1895 da J.J. Thomson permise di misurare il rapporto tra la carica q e la massa m delle particelle che costituiscono i raggi catodici, e nel 1899 Lenard confermò che il medesimo rapporto caratterizzava anche le emissioni di origine fotoelettrica. Nel 1883 Thomas Alva Edison aveva osservato che fili conduttori incandescenti emettono particelle cariche (effetto Edison), e nel 1899 Thomson mostrò che anche per questa forma di emissione valeva lo stesso rapporto di q su m individuato nei due casi già citati. Intorno al 1911 Millikan scoprì infine che la carica elettrica esiste in multipli interi di un'unità fondamentale: e = 1,602 × 10-19 C. Dal valore di q/m, con q pari a e, fu poi calcolata la massa del portatore, che risultò 9,109 × 10-31 kg. Questo risultato segnò la scoperta dell'elettrone. 

In seguito, si scoprì che anche i raggi canale sono fasci di particelle di carica e, ma di segno positivo e molto più massive dell'elettrone. Si trattava infatti di ioni positivi ottenuti dalla rimozione di un elettrone da un atomo neutro. Lo ione più piccolo esistente, lo ione idrogeno, è un protone singolo di massa pari a 1,673 × 10-27 kg, circa 1837 volte la massa dell'elettrone.