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  1690年奧托·馮·格里克發明真空泵後物理學家開始在稀薄空氣中做電的試驗。1705年人們發現在稀薄空氣中的電弧比在一般空氣中的長。1838年邁克爾·法拉第在充滿稀薄空氣的玻璃管中輸送電流,他發現在陰極和陽極之間之間有一道奇怪的光弧。只有直接在陰極前沒有這道光弧,這個地方被稱為“法拉第暗空間”。  1857年德國玻璃工海因裡希·蓋斯勒發明了更好的泵來抽真空,由此發明了蓋斯勒管。蓋斯勒管的意圖在於使得管內的氣體發光。而有人則發現管壁也會發光,而且只有在陽極的一端會發光。威廉·克魯克斯發明了更先進的克魯克斯管,專門用來研究這樣發出的光。  1859年,德國物理學者尤利烏斯·普呂克觀測到,當管內部氣體足夠稀薄時,在陰極附近的管壁會出現綠色磷光,施加磁場可以改變磷光的位置,因此,他分辨出這種放電與普通放電不同,他推斷綠色磷光是出自於電流撞擊於玻璃所產生的現象。普呂克的學生約翰·希托夫於1869年發現,假設在陰極與磷光之間置入一塊物體,則輝光會被限制在陰極與物體之間,玻璃管壁會因為物體的遮擋而在磷光曲面內出現一片陰影,這意味著輝光是由只會以直線傳播的射線形成,並且在管壁造成磷光。1876年,德國物理學者歐根·戈爾德斯坦發現,輝光不是朝著所有方向發射,而是朝著垂直於陰極表面的方向發射,這與燭光的發射方式大不相同,燭光是朝著所有方向發射。戈爾德斯坦稱這輝光為陰極射線,他主張,陰極射線是某種傳播於乙太的電磁波,因為,如同紫外線一般,陰極射線以直線移動,並且當撞擊時會造成磷光。  19世紀末許多著名科學家如諾貝爾獎獲得者菲利普·萊納德對陰極射線做了非常詳細的研究。很快人們就認識到陰極射線是由今天被稱為電子的帶電粒子組成的。由於陰極發射這個射線,因此其電荷是負的。

  在沒有外部影響的情況下陰極射線直線傳播。電場和磁場可以改變它們的方向。人們利用這個現象發明了陰極射線管,它是電視機、示波器等的原理。  在許多工業中極高速的電子束用來做電子束焊接、迅速修補熱固性塑料以及"交叉結合"熱塑性塑料來改善其物理特性。極高速電子流也可以作為自由電子鐳射的增益介質。
陰極射線是在真空管中可以觀察到的電子流。真空管是一個被抽成真空的、裝有兩個電極(一個陽極和一個陰極)的玻璃管。