19. yüzyılın sonlarında keşfedilen katot ışınları, yüksek voltajlı bir vakum tüpünün katodundan (negatif elektrot) yayılan elektron akışlarıdır. Bu ışınlar boşlukta ilerleyebildikleri için yayılmak için bir ortama ihtiyaç duymazlar. Aslında onların keşfi, elektronların atomlardan veya moleküllerden bağımsız olarak var olabilen ve hareket edebilen temel parçacıklar olduğunun anlaşılmasında önemli bir rol oynadı. Bu özellik, katot ışınlarını, iletim için hava veya katı bir malzeme gibi bir ortama ihtiyaç duyan ışık veya ses gibi diğer radyasyon türlerinden ayırır.
Katot ışınlarının oluşması için gerekli koşullar arasında tüp içinde yüksek bir vakum oluşturulması ve katot ile anot (pozitif elektrot) arasına yüksek voltajın uygulanması yer alır. Yeterince yüksek bir voltaj uygulandığında, termiyonik emisyon veya alan emisyonu nedeniyle katottan elektronlar yayılır. Yayılan bu elektronlar daha sonra anoda doğru hızlanarak bir katot ışın demeti oluşturur. Vakum, elektronlar ve gaz molekülleri arasında minimum çarpışma olmasını sağlayarak elektronların anoda doğru iyi tanımlanmış bir yolda serbestçe hareket etmesine olanak tanır.
Katot ışınları, yayıldıkları katotun malzemesine önemli ölçüde bağlı değildir. Farklı malzemeler değişen emisyon özelliklerine (iş fonksiyonu veya emisyon verimliliği gibi) sahip olabilse de, elektronlar yayıldıktan sonra vakum tüpü içindeki elektrik ve manyetik alanlardaki davranışları öncelikle yük-kütle oranları ve uygulanan Gerilim. Bu özellik, katot ışınlarının farklı deney düzenekleri ve katot için kullanılan malzemeler arasında tutarlı davranışlar ve özellikler sergilemesine olanak tanır.
Katot ışınları, negatif yüklü atom altı parçacıklar olan elektronlardan oluşur. Vakum tüpü içindeki elektrik alanı tarafından hızlandırıldığında bu elektronlar, katottan anoda doğru düz bir çizgide ilerleyen bir ışın oluşturur. Bu nedenle katot ışınlarının yapısı tamamen yüksek hızlarda hareket eden, tipik olarak yüksek hızlanma voltajları altında ışık hızına yaklaşan elektronlardan oluşur. Yük, kütle ve elektrik ve manyetik alanlar tarafından saptırılma yeteneği gibi özellikleri, klasik ve kuantum fiziği prensiplerine dayalı olarak elektronlardan beklenen özelliklerle uyumludur.