Cathode rays are streams of electrons observed in discharge tubes. If an evacuated glass tube is equipped with two electrodes and a voltage is applied, glass behind the positive electrode is observed to glow, due to electrons emitted from the cathode (the electrode connected to the negative terminal of the voltage supply). They were first observed in 1859 by German physicist Julius Plücker and Johann Wilhelm Hittorf,^[1] and were named in 1876 by Eugen GoldsteinKathodenstrahlen, or cathode rays.^[2][3] In 1897, British physicist J. J. Thomson showed that cathode rays were composed of a previously unknown negatively charged particle, which was later named the electron. Cathode ray tubes (CRTs) use a focused beam of electrons deflected by electric or magnetic fields to render an image.

รังสีแคโทดได้ชื่อนี้เพราะมันถูกปล่อยออกมาจากขั้วลบหรือแคโทดในหลอดสุญญากาศ ในการปล่อยอิเล็กตรอนเข้าไปในหลอดนั้น อิเล็กตรอนจะต้องถูกแยกออกจากอะตอมของแคโทดก่อน ใน หลอดสุญญากาศ แบบแคโทดเย็น รุ่นแรกๆ ที่ค้นพบรังสีแคโทด ซึ่งเรียกว่าหลอดครูกส์(Crookes tubes ) นั้น วิธีการคือใช้ศักย์ไฟฟ้าสูงหลายพันโวลต์ระหว่างแอโนดและแคโทดเพื่อทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมก๊าซที่เหลืออยู่ในหลอด ไอออนบวกจะถูกเร่งความเร็วโดยสนามไฟฟ้าไปยังแคโทด และเมื่อพวกมันชนกับแคโทด พวกมันจะทำให้เกิดการหลุดของอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวของแคโทด ซึ่งก็คือรังสีแคโทดนั่นเอง หลอดสุญญากาศสมัยใหม่ใช้การปล่อยอิเล็กตรอนด้วยความร้อน (thermionic emission ) ซึ่งแคโทดทำจากลวด เส้นบางๆ ที่ถูกทำให้ร้อนด้วยกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน ความร้อนจะให้พลังงานเพียงพอสำหรับอิเล็กตรอนที่จะหลุดออกจากพื้นผิวของลวดเส้นนั้นเข้าไปในพื้นที่ว่างของหลอด

เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุลบ จึงถูกผลักออกจากแคโทดที่มีประจุลบและถูกดึงดูดไปยังแอโนดที่มีประจุบวก พวกมันเคลื่อนที่ในแนวขนานผ่านหลอดที่ว่างเปล่า แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายระหว่างขั้วไฟฟ้าจะเร่งอนุภาคที่มีมวลน้อยเหล่านี้ให้มีความเร็วสูง รังสีแคโทดนั้นมองไม่เห็น แต่การมีอยู่ของมันถูกตรวจพบครั้งแรกในหลอดครูกส์เหล่านี้ เมื่อมันกระทบกับผนังกระจกของหลอด กระตุ้นอะตอมของกระจกและทำให้เกิดแสงเรืองๆ ที่เรียกว่าฟลูออเรสเซนซ์นักวิจัยสังเกตเห็นว่าวัตถุที่วางไว้ในหลอดด้านหน้าแคโทดสามารถทำให้เกิดเงาบนผนังที่เรืองแสงได้ และตระหนักว่าต้องมีบางสิ่งบางอย่างเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงจากแคโทด หลังจากที่อิเล็กตรอนกระทบกับด้านหลังของหลอด พวกมันจะเดินทางไปยังแอโนด จากนั้นเดินทางผ่านสายแอโนด ผ่านแหล่งจ่ายไฟ และกลับผ่านสายแคโทดไปยังแคโทด ดังนั้นรังสีแคโทดจึงนำกระแสไฟฟ้าผ่านหลอด

The current in a beam of cathode rays through a vacuum tube can be controlled by passing it through a metal screen of wires (a grid ) between cathode and anode, to which a small negative voltage is applied. The electric field of the wires deflects some of the electrons, preventing them from reaching the anode. The amount of current that gets through to the anode depends on the voltage on the grid. Thus, a small voltage on the grid can be made to control a much larger voltage on the anode. This is the principle used in vacuum tubes to amplify electrical signals. The triode vacuum tube developed between 1907 and 1914 was the first electronic device that could amplify, and is still used in some applications such as radio transmitters . High speed beams of cathode rays can also be steered and manipulated by electric fields created by additional metal plates in the tube to which voltage is applied, or magnetic fields created by coils of wire ( electromagnets ). สารเหล่านี้ใช้ในหลอดรังสีแคโทดซึ่งพบได้ในโทรทัศน์และจอคอมพิวเตอร์ รวมถึงในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

• 
  หลอดครูกส์ ขั้วแคโทด (ขั้วลบ) อยู่ทางด้านขวา ขั้วแอโนด (ขั้วบวก) อยู่ที่ฐานของหลอดด้านล่าง
• 
  รังสีแคโทดเดินทางจากแคโทดที่ด้านหลังของหลอดไปกระทบกับกระจกด้านหน้า ทำให้เกิดการเรืองแสงสีเขียว กากบาทโลหะภายในหลอดทำให้เกิดเงา ซึ่งแสดงให้เห็นว่ารังสีเดินทางเป็นเส้นตรง
• 
  แม่เหล็กสร้างสนามแม่เหล็กแนวนอนผ่านคอหลอด ทำให้รังสีเบี่ยงเบนขึ้น ส่งผลให้จุดสีเขียวอยู่สูงขึ้น
• 
  เมื่อกลับทิศทางของแม่เหล็ก รังสีจะเบี่ยงเบนลง ทำให้จุดสีเขียวอยู่ต่ำลง ส่วนแสงสีชมพูเกิดจากรังสีแคโทดกระทบกับอะตอมของก๊าซที่เหลืออยู่ในหลอด

หลังจากที่ ออตโต ฟอน เกอริคประดิษฐ์ปั๊มสุญญากาศได้ในปี 1654 นักฟิสิกส์ก็เริ่มทดลองเกี่ยวกับการส่งกระแสไฟฟ้าแรงสูงผ่านอากาศที่เบาบางในปี 1705 มีการสังเกตว่า ประกาย ไฟจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตสามารถเดินทางได้ไกลกว่าในอากาศที่มีความดันต่ำกว่าในอากาศที่มีความดันบรรยากาศปกติ

ในปี ค.ศ. 1838 ไมเคิล ฟาราเดย์ได้ใช้แรงดันไฟฟ้าสูงระหว่างขั้ว โลหะสอง ขั้วที่ปลายทั้งสองข้างของหลอดแก้วที่ถูกดูดอากาศออกไปบางส่วน และสังเกตเห็นประกายแสงประหลาดที่มีจุดเริ่มต้นที่แคโทด (ขั้วลบ) และจุดสิ้นสุดที่แอโนด (ขั้วบวก) ^{[ 4 ]}ในปี ค.ศ. 1857 ไฮน์ริช ไกส์เลอร์ นักฟิสิกส์และช่างเป่าแก้วชาวเยอรมัน ได้ดูดอากาศออกไปมากขึ้นด้วยปั๊มที่ได้รับการปรับปรุง จนถึงความดันประมาณ 10 ⁻³ atmและพบว่าแทนที่จะเป็นประกายไฟ กลับมีแสงเรืองๆ เต็มหลอด แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองของหลอด ซึ่งสร้างขึ้นโดยขดลวดเหนี่ยวนำ มี ค่าอยู่ระหว่างไม่กี่กิโลโวลต์ถึง 100 กิโลโวลต์ หลอดเหล่านี้เรียกว่าหลอดไกส์เลอร์ คล้ายกับ ป้ายนีออนใน ปัจจุบัน

คำอธิบายของปรากฏการณ์เหล่านี้คือ แรงดันไฟฟ้าสูงเร่งความเร็วอิเล็กตรอน อิสระและ อะตอมที่มีประจุไฟฟ้า( ไอออน ) ที่มีอยู่ตามธรรมชาติในอากาศภายในหลอด ในสภาวะความดันต่ำ มีช่องว่างระหว่างอะตอมของแก๊สมากพอที่อิเล็กตรอนจะเร่งความเร็วได้สูงพอที่เมื่อชนกับอะตอมใดอะตอมหนึ่ง จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมนั้น ส่งผลให้เกิดไอออนบวกและอิเล็กตรอนอิสระมากขึ้น ซึ่งจะไปสร้างไอออนและอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นในปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เรียกว่าการปล่อยประจุเรืองแสง ไอออนบวกจะถูกดึงดูดไปยังแคโทด และเมื่อชนกับแคโทดจะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากแคโทดมากขึ้น ซึ่งจะถูกดึงดูดไปยังแอโนด ดังนั้นอากาศที่มีไอออนจึงนำไฟฟ้าได้ และกระแสไฟฟ้าจึงไหลผ่านหลอด

หลอดไกส์เลอร์มีอากาศอยู่ภายในน้อยมาก ทำให้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้เพียงระยะทางสั้นๆ ก่อนที่จะชนกับอะตอม อิเล็กตรอนในหลอดเหล่านี้เคลื่อนที่อย่างช้าๆ ด้วย กระบวนการ แพร่ไม่ได้มีความเร็วเพิ่มขึ้นมากนัก ดังนั้นหลอดเหล่านี้จึงไม่ผลิตรังสีแคโทด แต่กลับผลิตแสงเรืองๆ ที่มีสีสัน (เช่นเดียวกับหลอดไฟนีออน ในปัจจุบัน ) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนชนกับอะตอมของแก๊ส ทำให้พลังงานของอิเล็กตรอนในวงโคจรเพิ่มสูงขึ้น อิเล็กตรอนจึงปล่อยพลังงานนี้ออกมาในรูปของแสง กระบวนการนี้เรียกว่าการเรืองแสง

ในช่วงทศวรรษ 1870 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษวิลเลียม ครูกส์และคนอื่นๆ สามารถดูดอากาศออกจากหลอดทดลองจนมีความดันต่ำกว่า 10⁻⁶ ^{บรรยากาศ} ได้ หลอดทดลอง เหล่านี้จึงถูกเรียกว่าหลอดครูกส์ฟาราเดย์เป็นคนแรกที่สังเกตเห็นพื้นที่มืดอยู่ด้านหน้าแคโทด ซึ่งไม่มีการเรืองแสง พื้นที่นี้จึงถูกเรียกว่า "พื้นที่มืดแคโทด" "พื้นที่มืดฟาราเดย์" หรือ "พื้นที่มืดครูกส์" ครูกส์พบว่าเมื่อเขาสูบอากาศออกจากหลอดทดลองมากขึ้น พื้นที่มืดฟาราเดย์จะแผ่ขยายลงไปตามหลอดจากแคโทดไปยังแอโนด จนกระทั่งหลอดมืดสนิท แต่ที่ปลายแอโนด (ขั้วบวก) ของหลอด แก้วของหลอดกลับเริ่มเรืองแสง

สิ่งที่เกิดขึ้นคือ เมื่อสูบอากาศออกจากหลอดมากขึ้น อิเล็กตรอนที่ถูกดีดออกจากแคโทดเมื่อไอออนบวกพุ่งชนก็จะสามารถเดินทางได้ไกลขึ้นโดยเฉลี่ย ก่อนที่จะชนกับอะตอมของแก๊ส เมื่อหลอดมืดลง อิเล็กตรอนส่วนใหญ่ก็จะสามารถเดินทางเป็นเส้นตรงจากแคโทดไปยังแอโนดโดยไม่ชนกัน เนื่องจากไม่มีสิ่งกีดขวาง อนุภาคที่มีมวลน้อยเหล่านี้จึงถูกเร่งความเร็วให้สูงขึ้นด้วยแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้า นี่คือรังสีแคโทด

เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่ไปถึงปลายขั้วบวกของหลอด พวกมันเคลื่อนที่เร็วมาก แม้ว่าจะถูกดึงดูดเข้าหาขั้วบวก แต่พวกมันมักจะพุ่งเลยขั้วบวกไปและชนกับผนังด้านหลังของหลอด เมื่อพวกมันชนกับอะตอมในผนังแก้ว พวกมันจะกระตุ้นอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอมให้มีระดับพลังงาน สูงขึ้น เมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่ระดับพลังงานเดิม พวกมันจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง ทำให้แก้วเรืองแสงซึ่งมักจะเป็นสีเขียวหรือสีน้ำเงิน ต่อมานักวิจัยได้ทาสีผนังด้านในด้านหลังด้วยสารเคมีเรืองแสง เช่นซิงค์ซัลไฟด์เพื่อให้มองเห็นแสงเรืองได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

รังสีแคโทดนั้นมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า แต่การเรืองแสงโดยบังเอิญนี้ทำให้นักวิจัยสังเกตเห็นว่าวัตถุในหลอดที่อยู่ด้านหน้าแคโทด เช่น แอโนด ทำให้เกิดเงาที่มีขอบคมบนผนังด้านหลังที่เรืองแสง ในปี ค.ศ. 1869 โยฮันน์ ฮิตทอร์ฟ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน เป็นคนแรกที่ตระหนักว่าต้องมีบางสิ่งบางอย่างเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงจากแคโทดเพื่อสร้างเงายูเจน โกลด์สไตน์ตั้งชื่อรังสีเหล่านั้นว่ารังสีแคโทด (ภาษาเยอรมันKathodenstrahlen )

ในเวลานั้น อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดที่รู้จักกัน และเชื่อกันว่าไม่สามารถแบ่งแยกได้ สิ่งที่นำกระแสไฟฟ้ายังคงเป็นปริศนา ในช่วงไตรมาสสุดท้ายของศตวรรษที่ 19 มีการทดลองครั้งสำคัญมากมายโดยใช้หลอดครูกส์เพื่อหาว่ารังสีแคโทดคืออะไร มีสองทฤษฎี ครูกส์และอาร์เธอร์ ชูสเตอร์เชื่อว่ามันเป็นอนุภาคของ "สสารแผ่รังสี" นั่นคืออะตอมที่มีประจุไฟฟ้า ส่วนนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ไอลฮาร์ด วีเดมันน์ ไฮน์ริช เฮิรตซ์ และโกลด์สไตน์ เชื่อว่ามันเป็น "คลื่นอีเธอร์" ซึ่ง เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดใหม่และแตกต่างจากสิ่งที่นำกระแสไฟฟ้าผ่านหลอด

การถกเถียงได้ยุติลงในปี 1897 เมื่อJJ Thomsonวัดมวลของรังสีแคโทด แสดงให้เห็นว่ารังสีเหล่านั้นประกอบด้วยอนุภาค แต่มีน้ำหนักเบากว่าอะตอมที่เบาที่สุดอย่างไฮโดรเจน ประมาณ 1800 เท่า ดังนั้น รังสีเหล่านั้นจึงไม่ใช่อะตอม แต่เป็นอนุภาคใหม่ ซึ่งเป็นอนุภาคย่อยของอะตอมชนิด แรก ที่ถูกค้นพบ ซึ่งเดิมทีเขาเรียกว่า " คอร์ปัสเคิล " แต่ต่อมาได้ตั้งชื่อว่าอิเล็กตรอนตามชื่ออนุภาคที่George Johnstone Stoney ตั้งสมมติฐาน ไว้ในปี 1874 เขายังแสดงให้เห็นว่าอนุภาคเหล่านั้นเหมือนกับอนุภาคที่ปล่อยออกมาจาก วัสดุ โฟโตอิเล็กทริกและวัสดุกัมมันตรังสี^{[ 5 ]}ในไม่ช้าก็เป็นที่ยอมรับว่าอนุภาคเหล่านั้นเป็นอนุภาคที่นำกระแสไฟฟ้าในสายโลหะ และนำประจุไฟฟ้าลบของอะตอม

ทอมสันได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ใน ปี 1906 จากผลงานนี้ฟิลิปป์ เลนาร์ดก็มีส่วนสำคัญอย่างมากต่อทฤษฎีรังสีแคโทดเช่นกัน โดยได้รับรางวัลโนเบลในปี 1905 จากการวิจัยเกี่ยวกับรังสีแคโทดและคุณสมบัติของมัน

วิธีการสร้างรังสีแคโทด โดยการแตกตัวเป็นไอออนของแก๊ส (หรือแคโทดเย็น ) ที่ใช้ในหลอดครูกส์นั้นไม่น่าเชื่อถือ เพราะขึ้นอยู่กับความดันของอากาศที่เหลืออยู่ในหลอด เมื่อเวลาผ่านไป อากาศจะถูกดูดซึมเข้าไปในผนังของหลอด และทำให้หลอดหยุดทำงาน

Hittorf และ Goldstein ^{[ 6 ]} ได้ทำการวิจัยวิธีการผลิตรังสีแคโทดที่เชื่อถือได้และควบคุมได้มากขึ้น และThomas Edison ได้ค้นพบอีกครั้ง ในปี 1880 แคโทดที่ทำจากลวดไส้ร้อนซึ่งถูกทำให้ร้อนแดงด้วยกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านแยกต่างหาก จะปล่อยอิเล็กตรอนเข้าไปในหลอดด้วยกระบวนการที่เรียกว่าการปล่อยเทอร์มิออนิก หลอดสุญญากาศอิเล็กทรอนิกส์ตัวแรกที่แท้จริง ซึ่งคิดค้นขึ้นในปี 1904 โดยJohn Ambrose Flemingใช้ เทคนิค แคโทดร้อน นี้ และได้เข้ามาแทนที่หลอด Crookes หลอดเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องมีแก๊สอยู่ภายในเพื่อใช้งาน ดังนั้นจึงถูกทำให้เป็นสุญญากาศที่ความดันต่ำกว่า ประมาณ 10 ⁻⁹ atm (10 ^{−4 Pa) วิธีการสร้างรังสีแคโทดโดยการแตกตัวเป็นไอออนที่ใช้ในหลอด Crookes ในปัจจุบันใช้เฉพาะใน} หลอดปล่อยประจุแก๊สเฉพาะทางบางชนิดเช่นคริตรอน

ในปี ค.ศ. 1906 ลี เดอ ฟอเรสต์ค้นพบว่าแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยบนโครงลวดโลหะระหว่างแคโทดและแอโนดสามารถควบคุมกระแสไฟฟ้าในลำแสงแคโทดที่ผ่านหลอดสุญญากาศได้ สิ่งประดิษฐ์ของเขาที่เรียกว่า ไตรโอดเป็นอุปกรณ์ชิ้นแรกที่สามารถขยาย สัญญาณไฟฟ้าได้ และปฏิวัติเทคโนโลยี ไฟฟ้าสร้างสาขาใหม่คืออิเล็กทรอนิกส์หลอดสุญญากาศทำให้ การออกอากาศวิทยุ และโทรทัศน์เป็นไปได้ รวมถึงเรดาร์ภาพยนตร์เสียง การบันทึกเสียง และบริการโทรศัพท์ทางไกล และเป็นรากฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคจนถึงทศวรรษ 1960 เมื่อทรานซิสเตอร์นำพาให้ยุคของหลอดสุญญากาศสิ้นสุดลง

ปัจจุบันรังสีแคโทดมักเรียกว่าลำแสงอิเล็กตรอน เทคโนโลยีการควบคุมลำแสงอิเล็กตรอนซึ่งคิดค้นขึ้นในหลอดรุ่นแรกๆ นั้น ได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในการออกแบบหลอดสุญญากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการประดิษฐ์หลอดรังสีแคโทด (CRT) โดยเฟอร์ดินานด์ บราวน์ในปี 1897 ซึ่งถูกนำไปใช้ในโทรทัศน์และออสซิลโลสโคปปัจจุบัน ลำแสงอิเล็กตรอนถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์ที่ซับซ้อน เช่น กล้องจุลทัศน์อิเล็กตรอนการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนและเครื่อง เร่งอนุภาค

ในช่วงไตรมาสสุดท้ายของศตวรรษที่ 19 มีการทดลองทางประวัติศาสตร์หลายสิบครั้งเพื่อพยายามค้นหาว่ารังสีแคโทดคืออะไร^{[ 7 ]}มีสองทฤษฎี: นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษCrookesและCromwell Varley เชื่อว่าพวกมันเป็นอนุภาคของ 'สสารที่แผ่รังสี' นั่นคือ อะตอมที่มีประจุไฟฟ้านักวิจัยชาวเยอรมัน E. Wiedemann, Heinrich HertzและEugen Goldsteinเชื่อว่าพวกมันเป็น ' การสั่น สะเทือนของอีเธอร์ ' ซึ่งเป็น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบใหม่และแยกออกจากสิ่งที่นำกระแสไฟฟ้าผ่านหลอด^{[ 8 ] : 79–81 [ 9 ] : 189–190 [ 7 ]}การถกเถียงยังคงดำเนินต่อไปจนกระทั่งJJ Thomson วัดมวลของรังสีแคโทด พิสูจน์ว่าพวกมันเป็นอนุภาคที่มีประจุลบที่ไม่เคยรู้จักมาก่อนในอะตอม ซึ่งเป็น อนุภาคย่อยอะตอมตัวแรกซึ่งเขาเรียกว่า 'คอร์ปัสเคิล' แต่ต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็น 'อิเล็กตรอน'

ในปี พ.ศ. 2491/2492 Julius Plückerได้สร้างหลอดที่มีขั้วบวกเป็นรูปกากบาทมอลตาหันหน้าเข้าหาขั้วลบ โดยมีบานพับเพื่อให้สามารถพับลงไปแนบกับพื้นของหลอดได้ เมื่อเปิดหลอด รังสีจากขั้วลบจะฉายเงาเป็นรูปกากบาทที่คมชัดบนฟลูออเรสเซนซ์ที่ด้านหลังของหลอด แสดงให้เห็นว่ารังสีเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง^{[ 8 ] : 79} ฟลูออเรสเซนซ์นี้ถูกนำมาใช้เป็นข้อโต้แย้งว่ารังสีจากขั้วลบเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากสิ่งเดียวที่ทราบในขณะนั้นว่าทำให้เกิดฟลูออเรสเซนซ์ได้คือ แสง อัลตราไวโอเลตหลังจากนั้นไม่นาน ฟลูออเรสเซนซ์จะ 'อ่อนล้า' และแสงเรืองจะลดลง^{[ 9 ] : 143} หากพับกากบาทลงให้พ้นทางรังสี มันจะไม่ฉายเงาอีกต่อไป และบริเวณที่เคยมีเงาจะเรืองแสงแรงกว่าบริเวณรอบข้าง

Eugen Goldsteinในปี 1876 พบว่ารังสีแคโทดจะถูกปล่อยออกมาในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิวของแคโทดเสมอ^{[ 9 ] : 138 [ 10 ]}หากแคโทดเป็นแผ่นเรียบ รังสีจะถูกยิงออกมาเป็นเส้นตรงตั้งฉากกับระนาบของแผ่น นี่เป็นหลักฐานว่าพวกมันเป็นอนุภาค เพราะวัตถุที่ส่องสว่าง เช่น แผ่นโลหะที่ร้อนแดง จะปล่อยแสงออกมาทุกทิศทาง ในขณะที่อนุภาคที่มีประจุจะถูกแคโทดผลักออกไปในทิศทางตั้งฉาก รังสีแคโทดจะให้ความร้อนแก่สสารที่มันกระทบ^{[ 9 ] : 145} หากอิเล็กโทรดทำเป็นรูปทรงจานทรงกลมเว้า รังสีแคโทดจะถูกโฟกัสไปที่จุดหนึ่งด้านหน้าจาน^{[ 7 ]} ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการให้ความร้อนแก่ตัวอย่างจนถึงอุณหภูมิสูงได้

เส้นทางของรังสีแคโทดสามารถเบี่ยงเบนได้ด้วยสนามไฟฟ้าไฮ น์ริช เฮิรตซ์สร้างหลอดที่มีแผ่นโลหะคู่ที่สองอยู่ด้านข้างลำแสงรังสีแคโทด ซึ่งเป็นหลอด CRT แบบง่ายๆ หากรังสีแคโทดเป็นอนุภาคที่มีประจุเส้นทางของมันควรจะเบี่ยงเบนไปเนื่องจากสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่อ มีการจ่าย แรงดันไฟฟ้าให้กับแผ่นโลหะ ทำให้จุดแสงที่รังสีตกกระทบเคลื่อนที่ไปด้านข้าง เขาไม่พบการเบี่ยงเบนใดๆ แต่ต่อมาพบว่าหลอดของเขามีการดูดอากาศออกไม่เพียงพอ ทำให้เกิดการสะสมของประจุบนพื้นผิวซึ่งบดบังสนามไฟฟ้า ต่อมา อาร์เธอร์ ชูสเตอร์ ได้ทำการทดลองซ้ำโดยใช้สุญญากาศที่สูงขึ้น เขาพบว่ารังสีถูกดึงดูดไปยังแผ่นที่มีประจุบวกและถูกผลักออกจากแผ่นที่มีประจุลบ ทำให้ลำแสงเบี่ยงเบน นี่เป็นหลักฐานว่าพวกมันมีประจุลบ ดังนั้นจึงไม่ใช่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เส้นทางของรังสีสามารถเบี่ยงเบนได้ด้วยสนาม แม่เหล็กครูกส์วางแม่เหล็กขวางคอหลอดเพื่อให้ขั้วเหนืออยู่ด้านหนึ่งของลำแสงและขั้วใต้อยู่ด้านตรงข้าม และลำแสงเดินทางผ่านสนามแม่เหล็กระหว่างขั้วทั้งสอง ลำแสงจะโค้งลงตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก^{[ 9 ] : 150–151} เพื่อเปิดเผยเส้นทางของลำแสงครูกส์ได้ประดิษฐ์หลอด(ดูภาพ)ที่มีหน้าจอทำจากกระดาษแข็งเคลือบด้วยสารเรืองแสงตลอดความยาวของหลอดในมุมเล็กน้อย เพื่อให้อิเล็กตรอนกระทบกับสารเรืองแสงตามความยาว ทำให้เกิดเส้นเรืองแสงบนหน้าจอ สามารถมองเห็นเส้นนั้นโค้งขึ้นหรือลงในสนามแม่เหล็กตามขวาง ผลกระทบนี้ (ปัจจุบันเรียกว่าแรงลอเรนซ์ ) คล้ายกับพฤติกรรมของกระแสไฟฟ้าในมอเตอร์ไฟฟ้าและแสดงให้เห็นว่ารังสีแคโทดเป็นไปตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์เช่นเดียวกับกระแสไฟฟ้าในสายไฟ การเบี่ยงเบนทั้งจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเป็นหลักฐานสนับสนุนทฤษฎีอนุภาค เนื่องจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กไม่มีผลต่อลำแสงในสุญญากาศ

ครูกส์วางกังหันใบพัดหรือล้อพาย ขนาดเล็กไว้ ในเส้นทางของรังสีแคโทด และพบว่ามันหมุนเมื่อรังสีกระทบ^{[ 9 ] : 146–149} ล้อพายหมุนไปในทิศทางที่ห่างจากด้านแคโทดของหลอด แสดงให้เห็นว่าแรงของรังสีแคโทดที่กระทบกับใบพัดทำให้เกิดการหมุนครูกส์สรุปในขณะนั้นว่าสิ่งนี้แสดงให้เห็นว่ารังสีแคโทดมีโมเมนตัมดังนั้นรังสีจึงน่าจะเป็น อนุภาค ของสสารอย่างไรก็ตาม ต่อมาได้สรุปว่าล้อพายหมุนไม่ได้เกิดจากโมเมนตัมของอนุภาค (หรืออิเล็กตรอน) ที่กระทบกับล้อพาย แต่เกิดจากผลกระทบทางรังสี [ ^{7 ] เมื่อ} รังสีกระทบกับพื้นผิวของใบพัด มันจะทำให้ร้อน และความร้อนทำให้ก๊าซที่อยู่ติดกันขยายตัว ผลักใบพัด สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์ในปี 1903 โดยเจ.เจ. ทอมสันซึ่งคำนวณว่าโมเมนตัมของอิเล็กตรอนที่กระทบกับล้อพายจะเพียงพอที่จะหมุนล้อได้เพียงหนึ่งรอบต่อนาที^{[ 7 ]}การทดลองทั้งหมดนี้แสดงให้เห็นเพียงว่ารังสีแคโทดสามารถให้ความร้อนแก่พื้นผิวได้

ฌอง-แบปติสต์ แปร์แร็งต้องการตรวจสอบว่ารังสีแคโทดนำพาประจุ ลบจริง หรือไม่ หรือว่ามันเพียงแค่มาพร้อมกับตัวนำประจุอย่างที่ชาวเยอรมันคิด ในปี พ.ศ. 2348 เขาได้สร้างหลอดที่มี 'ตัวดักจับ' ซึ่งเป็นทรงกระบอกอะลูมิเนียมปิดที่มีรูเล็กๆ ที่ปลายด้านหนึ่งหันเข้าหาแคโทด เพื่อรวบรวมรังสีแคโทด^{[ 9 ] : 161–165} ตัวดักจับนี้ถูกต่อเข้ากับอิเล็กโทรสโคปเพื่อวัดประจุ อิเล็กโทรสโคปแสดงประจุลบ ซึ่งพิสูจน์ได้ว่ารังสีแคโทดนำพาไฟฟ้าลบจริง

ในปี พ.ศ. 2429 โกลด์สไตน์พบว่า หากทำแคโทดด้วยรูเล็กๆ จะเห็นแสงเรืองๆ จางๆ พุ่งออกมาจากรูที่ด้านหลังของแคโทด โดยหันไปทางตรงข้ามกับแอโนด^{[ 11 ] [ 9 ] : 158–159} พบว่าในสนามไฟฟ้ารังสีแอโนด เหล่านี้ จะเบี่ยงเบนไปในทิศทางตรงกันข้ามกับรังสีแคโทด ไปทางแผ่นที่มีประจุลบ ซึ่งแสดงว่าพวกมันมีประจุบวก ไอออนบวกเหล่านี้ถูกดึงดูดไปยังแคโทด และสร้างรังสีแคโทดขึ้นโกลด์สไตน์ ตั้งชื่อรังสีเหล่านี้ว่า รังสีคลอง ( Kanalstrahlen ) ^{[ 12 ]}

Eugen Goldsteinคิดว่าเขาคิดค้นวิธีการวัดความเร็วของรังสีแคโทดได้แล้ว หากการปล่อยแสงเรืองที่เห็นในก๊าซของหลอด Crookes เกิดจากรังสีแคโทดที่เคลื่อนที่ แสงที่แผ่ออกมาจากรังสีเหล่านั้นในทิศทางที่รังสีเคลื่อนที่ลงไปตามหลอดจะมีการเปลี่ยนแปลงความถี่เนื่องจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ [ ^{7 ] ซึ่ง}สามารถตรวจจับได้ด้วยสเปกโทรสโคปเพราะสเปกตรัมเส้นการปล่อย จะมีการเปลี่ยนแปลง เขาสร้างหลอดที่มีรูปร่างเหมือนตัว "L" โดยมีสเปกโทรสโคปชี้ผ่านกระจกของข้อศอกลงไปตามแขนข้างหนึ่ง เขาทำการวัดสเปกตรัมของแสงเรืองเมื่อสเปกโทรสโคปชี้ไปที่ปลายแคโทด จากนั้นสลับการเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟเพื่อให้แคโทดกลายเป็นแอโนดและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม แล้วสังเกตสเปกตรัมอีกครั้งเพื่อหาการเปลี่ยนแปลง เขาไม่พบการเปลี่ยนแปลง ซึ่งเขาคำนวณได้ว่าหมายความว่ารังสีเคลื่อนที่ช้ามาก ต่อมาจึงได้ทราบว่าแสงเรืองในหลอดครูกส์นั้นเกิดจากอะตอมของแก๊สที่ถูกอิเล็กตรอนชน ไม่ใช่จากตัวอิเล็กตรอนเอง เนื่องจากอะตอมมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนหลายพันเท่า จึงเคลื่อนที่ช้ากว่ามาก ซึ่งเป็นสาเหตุที่ไม่มีปรากฏการณ์ดอปเปลอร์เกิดขึ้น

ฟิลิปป์ เลนาร์ดต้องการตรวจสอบว่ารังสีแคโทดสามารถทะลุผ่านหลอดครูกส์ไปในอากาศได้หรือไม่ ดูแผนภาพ เขาได้สร้างหลอดที่มี "หน้าต่าง" (W)ในซองแก้วที่ทำจากฟอยล์อลูมิเนียมที่มีความหนาเพียงพอที่จะกันความดันบรรยากาศ (ต่อมาเรียกว่า "หน้าต่างเลนาร์ด") หันหน้าเข้าหาแคโทด(C)เพื่อให้รังสีแคโทดกระทบ^{[ 9 ] : 182–188} เขาพบว่ามีบางสิ่งทะลุผ่านได้ การนำหน้าจอเรืองแสงไปแนบกับหน้าต่างทำให้หน้าจอเรืองแสง แม้ว่าจะไม่มีแสงส่องถึงก็ตามแผ่นฟิล์มถ่ายภาพที่นำไปแนบกับหน้าจอจะมืดลง แม้ว่าจะไม่ได้สัมผัสกับแสงก็ตาม ผลกระทบนี้มีระยะสั้นมากประมาณ 2.5 เซนติเมตร (0.98 นิ้ว) เขาได้วัดความสามารถของรังสีแคโทดในการทะลุผ่านแผ่นวัสดุ และพบว่าพวกมันสามารถทะลุผ่านได้ไกลกว่าอะตอมที่เคลื่อนที่ได้มาก เนื่องจากอะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดที่รู้จักในขณะนั้น นี่จึงถูกนำมาใช้เป็นหลักฐานว่ารังสีแคโทดเป็นคลื่น ต่อมาจึงได้รู้ว่าอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กกว่าอะตอมมาก ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้อิเล็กตรอนสามารถทะลุทะลวงได้มากกว่า เลนาร์ดได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1905 จากผลงานของเขา

วิลเฮล์ม รอนต์เกนได้ทำการทดลองซ้ำตามแบบของเลนาร์ด และในเย็นวันที่ 8 พฤศจิกายน ค.ศ. 1895 ขณะที่ความมืดเริ่มปกคลุม เขาได้ค้นพบการปล่อยรังสีเอ็กซ์จากผนังกระจกของหลอดทดลองของเขา โดยการลดความดันก๊าซที่เหลืออยู่และเพิ่มแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น เขาพบว่าภายใต้สภาวะที่เหมาะสม การปล่อยรังสีนั้นมาพร้อมกับแสงเรืองสีเหลืองจากผนังที่ถูกรังสีแคโทดตกกระทบ ไกส์เลอร์เคยสังเกตเห็นแสงเรืองสีเหลืองที่คล้ายกันนี้เมื่อ 35 ปีก่อนหน้านั้น โดยไม่ได้สังเกตเห็นรังสีเอ็กซ์ รอนต์เกนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ คนแรก ในปี ค.ศ. 1901

ต่อมา Louis de Broglie (1924) ได้เสนอในวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขาว่าอิเล็กตรอนมีลักษณะคล้ายโฟตอนและสามารถทำหน้าที่เป็น^{คลื่นได้ พฤติกรรมคล้ายคลื่นของรังสีแคโทดได้รับการสาธิตโดยตรงในภายหลังโดยใช้การสะท้อนจากพื้นผิวนิกเกิลโดย Davisson และ Germer [} 13 ] และการ^{ส่งผ่าน}ฟิล์มบางเซลลูลอยด์และต่อมาฟิล์มโลหะโดยGeorge Paget Thomsonและ Alexander Reid ^{[ 14 ]}ในปี 1927 (Alexander Reid ซึ่งเป็นนักศึกษาปริญญาโทของ Thomson ได้ทำการทดลองครั้งแรก แต่เขาเสียชีวิตไม่นานหลังจากนั้นจากอุบัติเหตุรถจักรยานยนต์^{[ 15 ]}และไม่ค่อยมีใครกล่าวถึง)

• เว็บไซต์หลอดรังสีแคโทด
• ท่อครูกส์ที่มีรูปกากบาทมอลตา