В январе 1880 года Томсон успешно выдержал заключительные экзамены и начал работать в Кавендишской лаборатории [8] . В том же году появилась статья, посвященная электромагнитной теории света. В следующем году появились две работы, из которых одна положила начало электромагнитной теории массы. Статья называлась «Об электрических и магнитных эффектах, производимых движением наэлектризованных тел». В этой статье выражена та мысль, что «эфир вне заряженного тела является носителем всей массы, импульса и энергии». С увеличением скорости изменяется характер поля, в силу чего вся эта «полевая» масса возрастает, оставаясь все время пропорциональной энергии.

С 1883 года Томсон читал лекции в Тринити-колледже по электричеству и магнетизму и динамике твердого тела. Лекции Томсона высоко ценились его студентами. Один из его учеников, Х. Невалл, отмечал: «Его лекции были ценны как в математическом отношении, так и в области экспериментальной физики. Быстрота и точность, с которой он оперировал математическими знаками, была поразительной». Знаменитый Нильс Бор писал: «Дж.Дж. Томсон поистине большой человек! Я невероятно много почерпнул из его лекций…»

Научные успехи Томсона были высоко оценены директором лаборатории Кавендиша – Рэлеем. Уходя в 1884 году с поста директора, он, не колеблясь, рекомендовал своим преемником Томсона. Для самого Джозефа его назначение было неожиданностью.

С 1884 по 1919 год (когда его сменил на посту директора лаборатории Резерфорд) Томсон руководил лабораторией Кавендиша. За это время она превратилась в крупный мировой научный центр, в международную школу физиков. Многие ученики Томсона стали крупными учеными. Завершая в конце жизни книгу своих воспоминаний, Томсон перечислял среди своих бывших докторантов 27 членов Королевского общества, 80 профессоров, успешно работающих в 13 странах. Пятеро его учеников – Ч. Баркла, Г. Брэгг, Ч. Вильсон, Э. Резерфорд, О. Ричардсон – стали нобелевскими лауреатами.

В ноябре 1889 года Томсон познакомился с милой и изящной Розой-Элизабет Пэйджет, которая присутствовала на его демонстрационных опытах. Он посылал ей «пылкие записочки»: «Дорогая мисс Пэйджет, кажется, мне удалось найти для вас интересную тему, над которой вы могли бы успешно работать. Если вы сможете прийти в лабораторию после четырех, я объясню вам эту идею и покажу необходимые приборы. Искренне ваш Дж.Дж. Томсон».

2 января 1890 года они поженились. Иногда супруги давали открытые для широкой публики «визиты в лабораторию», где Роза-Элизабет руководила опытами в вечернем платье.

Сразу после избрания главой Кавендишской лаборатории Томсон приступил к исследованиям прохождения электрического тока через газы. В книге «Размышления и воспоминания» он писал, что не знал такого времени, когда бы не занимался газовым разрядом.

Вначале он совместно с Трелфоллом ставит эксперименты по изучению проводимости в азоте и озоне. Результаты этих исследований были опубликованы в 1886 году в «Трудах Королевского общества». В 1887 году он опубликовал работу «О диссоциации некоторых газов электрическим разрядом». Томсон изучал влияние давления и температуры на разряд, определял скорость распространения разряда, экспериментировал с сильно нагретыми газами, изучал сопротивление электролитов переменному току высокой частоты, исследовал безэлектродный разряд и разряд через перегретый пар.

В 1894 году Томсон приступил к исследованию катодных лучей. В трубке, сконструированной ученым, катодные лучи послушно притягивались к положительно заряженной пластинке и явно отталкивались от отрицательной. То есть вели себя так, как и полагалось потоку быстролетящих крошечных корпускул, заряженных отрицательным электричеством. Превосходный результат! Он мог, безусловно, положить конец всем спорам о природе катодных лучей. Но Томсон не считал свое исследование законченным. Определив природу лучей качественно, он хотел дать точное количественное определение и составляющим их корпускулам.

Томсон сразу стал использовать открытия Рентгена и Беккереля в своих исследованиях, и, как он вспоминал, эти открытия позволили производить многие эксперименты, которые до этого были невыполнимы. Вначале Томсон изучал действие рентгеновских лучей на разряд в газе. «К моему великому восторгу, – писал Томсон о рентгеновских лучах, – они делали газ проводником тока, даже если электрическая сила, приложенная к газу, была чрезвычайно мала… X-лучи, казалось, превращали газ в газообразный электролит».

«Вскоре из этих опытов были получены важные результаты, – пишет С.П. Кудрявцев. – Во-первых, Томсон обнаружил, что после прекращения действия лучей проводимость в газе еще сохранялась какое-то время и прекращалась после фильтрования газа через стекловату. Во-вторых, было выяснено, что для фильтрования не обязательно использовать стекловату, вполне достаточно подвергнуть газ действию электрических сил. В-третьих, было найдено нарастание силы тока при малых напряжениях в согласии с законом Ома, при больших напряжениях – отклонение от закона Ома и при некотором большом напряжении – наличие тока насыщения.