Kathodestralen, ontdekt aan het einde van de 19e eeuw, zijn elektronenstromen die worden uitgezonden door de kathode (negatieve elektrode) van een hoogspanningsvacuümbuis. Deze stralen hebben geen medium nodig om zich voort te planten, omdat ze door een vacuüm kunnen reizen. In feite speelde hun ontdekking een belangrijke rol in het inzicht dat elektronen fundamentele deeltjes zijn die onafhankelijk van atomen of moleculen kunnen bestaan en bewegen. Dit kenmerk onderscheidt kathodestralen van andere vormen van straling zoals licht of geluid, waarvoor voor transmissie een medium zoals lucht of een vast materiaal nodig is.
De voorwaarden die nodig zijn voor het genereren van kathodestralen omvatten het creëren van een hoog vacuüm in de buis en het aanleggen van een hoge spanning tussen de kathode en de anode (positieve elektrode). Wanneer een voldoende hoge spanning wordt aangelegd, worden elektronen door de kathode geëmitteerd als gevolg van thermionische emissie of veldemissie. Deze uitgezonden elektronen versnellen vervolgens naar de anode en vormen een bundel kathodestralen. Het vacuüm zorgt ervoor dat er minimale botsingen plaatsvinden tussen elektronen en gasmoleculen, waardoor de elektronen vrijelijk in een goed gedefinieerd pad naar de anode kunnen reizen.
Kathodestralen zijn niet significant afhankelijk van het materiaal van de kathode waaruit ze worden uitgezonden. Hoewel verschillende materialen verschillende emissie-eigenschappen kunnen hebben (zoals werkfunctie of emissie-efficiëntie), wordt hun gedrag in de elektrische en magnetische velden in de vacuümbuis, zodra ze worden uitgezonden, voornamelijk bepaald door hun lading-massa-verhouding en de toegepaste Spanning. Deze eigenschap zorgt ervoor dat kathodestralen consistent gedrag en karakteristieken kunnen vertonen in verschillende experimentele opstellingen en materialen die voor de kathode worden gebruikt.
Kathodestralen zijn samengesteld uit elektronen, dit zijn negatief geladen subatomaire deeltjes. Wanneer ze worden versneld door het elektrische veld in de vacuümbuis, vormen deze elektronen een straal die zich in een rechte lijn van de kathode naar de anode voortbeweegt. De samenstelling van kathodestralen bestaat daarom volledig uit elektronen die met hoge snelheden bewegen en doorgaans de lichtsnelheid benaderen onder hoge versnellingsspanningen. Hun eigenschappen, zoals lading, massa en het vermogen om te worden afgebogen door elektrische en magnetische velden, komen overeen met de kenmerken die van elektronen worden verwacht op basis van klassieke en kwantumfysische principes.