Quando entro un tubo munito di due elettrodi e alimentato da un rocchetto di Ruhmkorff si raggiungono pressioni molto basse, si osserva un fenomeno interessante scoperto da Crookes nel 1879: nella parete del tubo posta di fronte al catodo (polo negativo) si osserva una piccola macchia fluorescente. Dal catodo cioè partono dei raggi che rendono fluorescente la parete colpita del tubo. In realtà, come è stato dimostrato da Perrin (1895), tale radiazione è di natura corpuscolare. Thomson ha provato anzi, con la storica esperienza del 1897, trattarsi di elettroni emessi dal catodo.

I raggi catodici sono emessi perpendicolarmente al catodo in direzione rettilinea, producono effetti termici e chimici (impressionano una lastra fotografica), producono fluorescenza e fosforescenza di sostanze poste dentro al tubo. Inoltre, essendo costituiti da cariche negative, sono deviati sia da campi elettrici che da campi magnetici. Urtando contro ostacoli (anche il vetro del tubo) danno origine a nuove radiazioni, dette raggi X, e producono effetti meccanici, come si può provare inserendo, come nel dispositivo illustrato, un mulinello capace di ruotare intorno al proprio asse.