Promienie katodowe, odkryte pod koniec XIX wieku, to strumienie elektronów emitowane z katody (elektrody ujemnej) lampy próżniowej wysokiego napięcia. Promienie te nie wymagają ośrodka do propagacji, ponieważ mogą przemieszczać się w próżni. W rzeczywistości ich odkrycie odegrało znaczącą rolę w zrozumieniu, że elektrony są podstawowymi cząstkami, które mogą istnieć i poruszać się niezależnie od atomów i cząsteczek. Ta cecha odróżnia promienie katodowe od innych form promieniowania, takich jak światło lub dźwięk, które do transmisji wymagają ośrodka takiego jak powietrze lub materiał stały.
Warunki niezbędne do wytworzenia promieni katodowych obejmują wytworzenie wysokiej próżni w rurze i przyłożenie wysokiego napięcia pomiędzy katodą i anodą (elektrodą dodatnią). Po przyłożeniu wystarczająco wysokiego napięcia elektrony są emitowane z katody w wyniku emisji termoelektrycznej lub emisji polowej. Wyemitowane elektrony następnie przyspieszają w kierunku anody, tworząc wiązkę promieni katodowych. Próżnia zapewnia minimalne zderzenia pomiędzy elektronami i cząsteczkami gazu, umożliwiając elektronom swobodne przemieszczanie się po dobrze określonej ścieżce w kierunku anody.
Promienie katodowe nie zależą w istotny sposób od materiału katody, z którego są emitowane. Chociaż różne materiały mogą mieć różną charakterystykę emisji (taką jak funkcja pracy lub wydajność emisji), po wyemitowaniu elektronów ich zachowanie w polach elektrycznych i magnetycznych w lampie próżniowej zależy przede wszystkim od ich stosunku ładunku do masy oraz zastosowanego Napięcie. Ta właściwość umożliwia promieniom katodowym wykazywanie spójnych zachowań i właściwości w różnych konfiguracjach eksperymentalnych i materiałach użytych na katodę.
Promienie katodowe składają się z elektronów, które są ujemnie naładowanymi cząstkami subatomowymi. Przyspieszane przez pole elektryczne w lampie próżniowej elektrony tworzą wiązkę, która przemieszcza się w linii prostej od katody do anody. Dlatego skład promieni katodowych składa się wyłącznie z elektronów poruszających się z dużymi prędkościami, zwykle zbliżającymi się do prędkości światła przy wysokich napięciach przyspieszających. Ich właściwości, takie jak ładunek, masa i zdolność do odchylania przez pola elektryczne i magnetyczne, są zgodne z charakterystykami oczekiwanymi od elektronów w oparciu o zasady fizyki klasycznej i kwantowej.