thumb|250px|right|Représentation schématique d'un appareillage d'un tube de Crookes. A est une source d'énergie à faible tension pour chauffer la cathode C (une cathode froide fut utilisée par Crookes). B est une source d'énergie à haute tension afin de stimuler l'anode P recouverte de phosphore. Le masque occultant M est connecté au potentiel de cathode et son image est perçue sur le phosphore comme une zone sombre. Un rayon cathodique est un faisceau d'électrons observé dans un tube à vide, c'est-à-dire dans un tube de verre sous vide équipé d'au moins deux électrodes — une cathode et une anode — dans une configuration connue sous le nom de diode. Lorsque la cathode est chauffée, elle émet une radiation, qui voyage jusqu'à l'anode. Si les parois internes du verre se trouvant derrière l'anode sont recouvertes avec un matériau phosphorescent les électrons incidents induisent un scintillement. L'existence des rayons cathodiques fut initialement supposée lors des premières études dans les tubes à vide en plaçant des plaques de métal entre les électrodes, qui projetaient une ombre sur la surface phosphorescente. Cela laissait penser que la cause de l'émission de lumière était imputable à des rayons émis par la cathode et frappant l'enduit. Ils se propagent jusqu'à l'anode en lignes droites et continuent au-delà sur une certaine distance. Après l'invention en 1650 de la pompe à vide par Otto von Guericke, les physiciens commencèrent des expériences sur l'électricité en milieu d'air raréfié. En 1705, il fut remarqué que les étincelles d'un générateur électrostatique voyageaient sur une plus grande distance dans l'air raréfié que dans l'air « standard ». En 1838, Michael Faraday fit passer du courant au travers d'un tube de verre contenant de l'air raréfié et nota qu'un étrange arc lumineux commençant à l'anode et finissant à la cathode se produisait. Le seul endroit dans lequel il n'y avait pas de luminescence se situait juste en face de la cathode, et fut appelé « espace sombre de la cathode », « espace sombre de Faraday » ou « espace sombre de Crookes ».