Kathodenstrahlen, die Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt wurden, sind Elektronenströme, die von der Kathode (negative Elektrode) einer Hochspannungsvakuumröhre emittiert werden. Diese Strahlen benötigen zur Ausbreitung kein Medium, da sie sich durch ein Vakuum bewegen können. Tatsächlich spielte ihre Entdeckung eine wichtige Rolle für das Verständnis, dass Elektronen grundlegende Teilchen sind, die unabhängig von Atomen oder Molekülen existieren und sich bewegen können. Diese Eigenschaft unterscheidet Kathodenstrahlen von anderen Strahlungsformen wie Licht oder Schall, die zur Übertragung ein Medium wie Luft oder ein festes Material benötigen.
Zu den für die Erzeugung von Kathodenstrahlen notwendigen Bedingungen gehören die Erzeugung eines Hochvakuums in der Röhre und das Anlegen einer Hochspannung zwischen Kathode und Anode (positive Elektrode). Wenn eine ausreichend hohe Spannung angelegt wird, werden durch thermionische Emission oder Feldemission Elektronen von der Kathode emittiert. Diese emittierten Elektronen beschleunigen dann zur Anode und bilden einen Strahl aus Kathodenstrahlen. Das Vakuum stellt sicher, dass es zu minimalen Kollisionen zwischen Elektronen und Gasmolekülen kommt, sodass sich die Elektronen frei auf einem genau definierten Weg zur Anode bewegen können.
Kathodenstrahlen hängen nicht wesentlich vom Material der Kathode ab, von der sie emittiert werden. Während unterschiedliche Materialien unterschiedliche Emissionseigenschaften (z. B. Austrittsarbeit oder Emissionseffizienz) aufweisen können, wird ihr Verhalten in den elektrischen und magnetischen Feldern innerhalb der Vakuumröhre nach der Emission der Elektronen in erster Linie durch ihr Ladungs-zu-Masse-Verhältnis und die angelegten Elektronen bestimmt Stromspannung. Diese Eigenschaft ermöglicht es Kathodenstrahlen, über verschiedene Versuchsaufbauten und für die Kathode verwendete Materialien hinweg konsistente Verhaltensweisen und Eigenschaften zu zeigen.
Kathodenstrahlen bestehen aus Elektronen, bei denen es sich um negativ geladene subatomare Teilchen handelt. Wenn sie durch das elektrische Feld in der Vakuumröhre beschleunigt werden, bilden diese Elektronen einen Strahl, der sich geradlinig von der Kathode zur Anode bewegt. Der Aufbau der Kathodenstrahlen besteht daher ausschließlich aus Elektronen, die sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegen, die sich bei hohen Beschleunigungsspannungen typischerweise der Lichtgeschwindigkeit nähern. Ihre Eigenschaften wie Ladung, Masse und die Fähigkeit, durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt zu werden, stimmen mit den Eigenschaften überein, die auf der Grundlage klassischer und quantenphysikalischer Prinzipien von Elektronen erwartet werden.