Разрежение газа уменьшает его электрическое сопротивление. Однако при очень малых давлениях (порядка тысячных долей мм рт. ст.) увеличение разрежения газа приводит к росту его сопротивления. Свечение газа в трубке при этом почти исчезает, но светится с зеленоватым оттенком стекло трубки, которое расположено напротив катода. Описанное явление объясняют следующим образом.

Когда молекул газа в трубке остается мало, столкновения электронов с молекулами становятся редкими. Этим и объясняется прекращение свечения газа. При высоком вакууме большинство электронов и ионов без столкновений пролетают весь промежуток между электродами. Скорость движения положительных ионов в трубке перед ударом о катод при этом достигает 10⁵ м/с. Ударяясь о катод, они выбивают из него электроны, которые движутся прямолинейно по перпендикуляру к поверхности катода со скоростью порядка 10⁸ м/с. При ударе о стекло они возбуждают его молекулы, и оно начинает светиться. Пучок электронов, летящих прямолинейно от катода при высоком вакууме в трубке, называют катодными лучами.

Итак, стекло трубки светится в том месте, на которое попадают катодные лучи. Заметим, что столкновения электронов с молекулами газа, остающегося в трубке, должны происходить обязательно, так как в этом случае будут получаться ионы, вызывающие вторичную электронную эмиссию из катода. Если молекул газа в трубке совсем не будет или окажется слишком мало, то ток в трубке исчезнет, так как полный вакуум не пропускает ток (является идеальным изолятором). Если катодные лучи являются потоком электронов, то они должны отклоняться в электрическом и магнитном полях так, как должны отклоняться движущиеся отрицательные заряды. Такое отклонение действительно наблюдается (рис. 20.8).

Катодные лучи вызывают свечение многих веществ, они обладают также механическим и тепловым действием. Заметим, что именно изучение свойств катодных лучей привело к открытию электронов и позволило определить их заряд и массу.

В трубках с сильно разреженным газом можно наблюдать следующее интересное явление. Если в катоде трубки просверлить отверстия (каналы), то можно проследить за движением положительных ионов газа за катодом (рис. 20.9). При включении такой трубки в цепь за катодом появляются лучи, которые называют анодными или каналовыми. Они являются потоком положительных ионов того газа, который остался в трубке. Свойства анодных лучей похожи на свойства катодных лучей, но в магнитном и электрическом полях они отклоняются значительно меньше, чем электроны (и в обратную сторону).