پرتوهای کاتدی یک مفهوم اساسی در فیزیک هستند که حوزه‌های فیزیک اتمی، لوله‌های خلاء، فناوری نمایش، مغناطیس و ماهیت زیربنایی الکترون‌ها را در هم می‌پیچانند. درک پرتوهای کاتدی نگاهی اجمالی به دنیای نامرئی ارائه می دهد که بر رفتار اساسی ترین ذرات در جهان حاکم است.
پرتوهای کاتدی جریان‌هایی از الکترون‌ها هستند که در لوله‌های خلاء یا به‌طور دقیق‌تر لوله‌های تخلیه مشاهده می‌شوند. آنها زمانی تولید می شوند که جریان الکتریکی از گاز با فشار بسیار کم عبور کند. منشأ این پرتوها کاتد، الکترود منفی است، از این رو «پرتوهای کاتدی» نامیده می شود. هنگامی که این الکترون ها با اتم های موجود در گاز برخورد می کنند، می توانند فلورسانس ایجاد کنند، مسیر پرتوها را روشن کرده و امکان تشخیص آنها را فراهم می کنند.
مطالعه پرتوهای کاتدی منجر به کشف الکترون ، سنگ بنای فیزیک و شیمی مدرن شد. در اواخر قرن نوزدهم، جی جی تامسون از لوله‌های پرتو کاتدی در آزمایش‌هایی استفاده کرد تا نشان دهد که اتم‌ها آن‌طور که قبلاً تصور می‌شد تقسیم‌ناپذیر نیستند، بلکه حاوی ذرات کوچک‌تر و دارای بار منفی - الکترون‌ها هستند. تامسون با اندازه گیری انحراف پرتوهای کاتدی در یک میدان مغناطیسی، توانست نسبت بار به جرم ( \( \frac{e}{m} \) ) الکترون را محاسبه کند و نشان دهد که این ذرات در واقع اجزای تشکیل دهنده هستند. اتم ها
لوله های خلاء که به عنوان لوله های الکترونی نیز شناخته می شوند، دستگاه هایی هستند که جریان الکتریکی را در خلاء زیاد بین الکترودهایی که اختلاف پتانسیل الکتریکی روی آنها اعمال شده است، کنترل می کنند. پرتوهای کاتدی برای عملکرد این دستگاه ها حیاتی هستند. هنگامی که فشار داخل لوله برای ایجاد خلاء جزئی کاهش می‌یابد و ولتاژ بالایی اعمال می‌شود، پرتوهای کاتدی تولید می‌شوند که هدایت الکتریسیته را از طریق لوله تسهیل می‌کند. این اصل در کاربردهای مختلفی از رادیو گرفته تا کامپیوترهای اولیه استفاده می شود.
یکی از شناخته شده ترین کاربردهای پرتوهای کاتدی در فناوری لوله اشعه کاتدی (CRT) است که در تلویزیون های قدیمی و صفحه نمایش مانیتور رایانه استفاده می شود. یک CRT پرتوی از الکترون ها (پرتوهای کاتدی) را به یک صفحه فسفری پرتاب می کند. این الکترون ها وقتی به صفحه برخورد می کنند باعث درخشش آن می شوند و تصاویری را که می بینید تولید می کنند. CRT ها با کنترل جهت و شدت پرتو الکترونی توانستند تصاویر را با وضوح قابل توجهی برای زمان خود ارائه دهند.
رفتار پرتوهای کاتدی در میدان های مغناطیسی بینش های کلیدی را در مورد ماهیت الکترون ها ارائه می کند. هنگامی که یک میدان مغناطیسی عمود بر مسیر الکترون ها اعمال می شود، پرتوها در جهتی منحرف می شوند که هم بر جهت اصلی حرکت و هم بر میدان مغناطیسی عمود است. این به دلیل نیروی لورنتس است که بر الکترون های متحرک تأثیر می گذارد. فرمول نیروی لورنتس:
\( F = q \cdot (E + v \times B) \)جایی که \(F\) نیرویی است که بر الکترون وارد می شود، \(q\) بار الکترون است، \(E\) میدان الکتریکی است، \(v\) سرعت الکترون است و \(B\) میدان مغناطیسی است. این معادله برهمکنش پرتوهای کاتدی با میدان‌های مغناطیسی را نشان می‌دهد و بستری در توسعه فناوری‌هایی بوده است که از پرتوهای الکترونی استفاده یا دستکاری می‌کنند.
پرتوهای کاتدی، اگرچه مفهومی از اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم بود، اما برای درک ما از دنیای اتمی حیاتی باقی مانده است و زمینه را برای بسیاری از فناوری های مدرن ما فراهم کرده است. از کشف الکترون تا توسعه صفحه‌های CRT و فراتر از آن، پرتوهای کاتدی مسیر اکتشافات علمی را روشن کرده‌اند و نوری را بر فرآیندهای نامرئی که بر رفتار ماده در اساسی‌ترین سطح آن حاکم است، می‌تابانند.
