1. La préhistoire : décharges électriques dans les gaz
En 1838, le chimiste et physicien britannique Faraday s’intéresse aux décharges électriques dans les gaz raréfiés grâce au dispositif suivant : une anode et une cathode sont placées en vis-à-vis dans un tube en verre, la cathode est mise sous tension et si celle-ci est assez élevée cela déclenche une étincelle entre les deux électrodes (figure 1.) Si on diminue la pression du gaz dans l’ampoule, on constate que l’apparence de l’étincelle se change en une émanation violette. Faraday pense alors avoir découvert un quatrième état de la matière qu’il nomme « matière radiante ».
Figure 1. Appareil de Faraday

Appareil pour étudier les décharges électriques dans les gaz. Image : collection du département des sciences de la matière ENS Lyon.
Cette expérience fut reprise tout au long du dix-neuvième siècle en variant de nombreux paramètres (nature du gaz, forme du tube, pression dans l’ampoule...) mais la nature du phénomène observé restait incomprise. Les progrès techniques dans la conception des ampoules à vide et des pompes à vide permettent au physicien allemand Plücker d’observer que le vide poussé (pression de l’ordre de 100 Pa) rend le tube très résistant au passage du courant : la haute tension ne provoque plus qu’une fluorescence verte sur certaines parois du tube en verre et en particulier en face de la cathode. En 1869, son élève Hittorf prouve que cette lueur est due à l’arrivée sur le verre de rayons qui se propagent en ligne droite depuis la cathode. Pour cela il dispose une croix métallique face à la cathode et observe l’ombre de cette croix sur la paroi du tube opposée à la cathode (figures 2 et 3). Ces rayons seront nommés « rayons cathodiques ». Il montre également que les rayons cathodiques peuvent être déviés par un aimant.
Figure 2. Tube de Crookes

Cathode, anode, obstacle (croix de malte). Image : The Cathode Ray Tube site [1]
Figure 3. Mise en évidence des rayons cathodiques