در سال 1859، یولیوس پلوکر بر اثر کوششهایی که برای عبور جریان برق در خلأ به عمل آمد، پرتوهای کاتدی را کشف کرد و سرانجام در سال 1897 تامسون پس از چندین دهه تحقیق دانشمندان بر روی تخلیه الکتریکی گازها، شرح آزمایش خود را ارائه نمود.

گازها در شرایط معمولی جریان برق را هدایت نمی‌کنند و عایق الکتریسیته هستند و اگر بخواهیم در فشار معمولی مثلاً در هوا جریانی عبور دهیم، باید ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بسیار زیادی بین دو قطب برقرار کنیم یا اینکه فاصله الکترودها را بسیار کوچک بگیریم که در این صورت برقرار کردن ولتاژی در حدود چند هزار ولت، منجر به تولید جرقه الکتریکی می‌شود که یک تخلیه آنی است. لوله‌ای مطابق شکل در نظر بگیرید که از یک سو به پمپ خلأ وصل است و دو قطب مثبت و منفی در داخل آن تعبیه شده است.

اگر اختلاف پتانسیل نسبتاً زیاد در حدود چند هزار ولت بین آن دو قطب برقرار کنیم و فشار گاز را پائین بیاوریم تا به حدود چند میلیمتر جیوه (صدم اتمسفر یا چند تور) برسد؛ شاهد عبور و برقراری جریانی از درون گاز خواهیم بود که با روشنایی گاز درون لوله و نور افشانی آن همراه است.

این پدیده را تخلیه الکتریکی در درون گاز می‌نامند که در آغاز مطالعات مربوط به ساختمان اتم اهمیت زیادی داشت.

امروزه حبابهای روشنایی که براساس این پدیده ساخته می‌شود از وسائل همگانی و معمولی است، رنگ قرمز و آشنای لامپهای تبلیغاتی نئون را همه می‌شناسیم و اگر به جای نئون، گاز دیگری به کار بریم، رنگ لوله تغییر خواهد کرد ولی شیوه کار تقریباً یکسان است. برای مثال هوا، رنگ صورتی پریده، بخار سدیم، رنگ زرد و بخار جیوه رنگ آبی مایل به سبز پیدا می کند (اغلب لامپهای خیابانی از این نوع هستند.)

در گذشته (اواخر سده نوزدهم میلادی) مطالعه پدیده تخلیه در گازها مطالعه تازه‌ای بود که به نتایج مهمی، یعنی به کشف اشعه کاتدی، الکترون و خواص آن و به دنبالش به شناخت ساختمان درونی اتم رسید.

در طی بررسی پدیده تخلیه الکتریکی درگازها، دانشمندان دریافتند که با تخلیه بیشتر حباب خطوط تاریکی در این گستره نورانی ظاهر می‌گردد. با ادامه تخلیه، خطوط تاریک مجاور کاتد به طرف آند گسترش می‌یابند و در نهایت در فشارهای بسیار پائین (حدود اتمسفر) خطوط نورانی به طور کامل از بین می‌روند و روشنایی گاز لوله ناپدید می‌شود. در این حالت هنوز جریان الکتریکی در دو سر حباب (لوله تخلیه الکتریکی) برقرار است و نوعی درخشندگی یا تابش مهتابی در دیواره لوله آشکار می‌گردد. در این حالت اشعه‌ای نامرئی حاصل شده است که می‌توان توسط ماده فلوئورسان ( موادی مثل که از برخورد اشعه نامرئی به آنها، اشعه مرئی تولید می‌شود) آن را مرئی کرد. (پدیده فلوئورسان سبز رنگ مربوط به شیشه)

این جریان نامرئی که به طور مستقیم از کاتد به طرف آند برقرار می‌شود اشعه کاتدی نامیده می‌شود که در محل برخورد با شیشه نقطه نورانی ایجاد می‌کند.