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전자가 회절한다는 것을 증명한 공로로 1937년 미국의 클린턴 J. 데이비슨과 함께 노벨 물리학상을 받았다. 회절은 파동의 독특한 형태로 고체와 액체의 원자구조를 결정하는 데 널리 이용되고 있다.

저명한 물리학자 J. J. 톰슨 경의 외아들인 그는 제1차 세계대전 후 케임브리지대학교의 캐번디시 연구소에서 연구했다. 1922년 애버딘대학교의 자연철학교수로 임명되었다. 이곳에서 전자빔이 결정질 물질을 통과할 때 회절한다는 것을 증명하는 실험을 하여 입자가 파동의 특성을 나타낸다는 루이 드 브로이의 예측을 확증했는데, 이때 파장(λ)은 입자의 운동량(p)에 대한 플랑크 상수의 비와 같다(즉 λ=h/P)이다.

1930년 런던에 있는 임피리얼 칼리지의 물리학교수가 되었고 중성자와 핵융합 연구에 몰두했다. 1943년 기사작위를 받았으며 9년 뒤 케임브리지대학교 코퍼스 크리스티 칼리지의 학장이 되었고 1962년 은퇴했다. 저서로 〈전자회절의 이론과 실체 Theory and Practice of Electron Diffraction〉(1939)·〈J. J. 톰슨과 그의 시대의 캐번디시 연구소 J. J. Thomson and the Cavendish Laboratory in His Day〉(1965)가 있다.