תומסון התמנה למנהל מעבדת קוונדיש בשנת 1884, ובעצת קודמו לתפקיד החל לחקור את תופעת הקרניים הקתודיות. באותה תקופה הסברה הייתה שהקרניים מורכבות מחלקיקים טעונים הנפלטים מהקתודה ומואצים אל האנודה, ולפיכך ניתן להסיט את החלקיקים בעזרת שדה חשמלי. תומסון בנה שפופרות קרניים קתודיות שבהן האנודה מכוסה בחומר פוספורסצנטי (כך שניתן לראות את נקודת הפגיעה של הקרניים באנודה) ובנוסף מכילות זוג משטחים מתכתיים המשמשים להסטת הקרניים (deflector) - הפעלת מתח חשמלי עליהן יוצרת שדה חשמלי המסיט את הקרניים הקתודיות. תומסון אכן הצליח להבחין בהסטה של הקרניים ולמדוד אותה כפונקציה של השדה החשמלי. לאחר מכן הוא ביצע ניסוי נוסף שבו הסיט את הקרניים בעזרת שדה מגנטי. השוואת התוצאות משני הניסויים הללו אפשרה לתומסון להסיק את היחס בין המטען החשמלי למסה (q/m) של החלקיקים המרכיבים את הקרינה הקתודית. תומסון הבחין כי היחס שהוא מדד הוא אוניברסלי: כלומר, אינו תלוי בפרמטרים ניסיוניים שונים, כגון החומר שממנו מורכבות האלקטרודות והטמפרטורה שלהן. לפיכך הוא הסיק שהקרניים הקתודיות מורכבות מחלקיקים תת-אטומיים. תגלית זאת של תומסון נחשבת היום לגילוי האלקטרון, ועליה הוענק לתומסון פרס נובל לפיזיקה בשנת 1906.
ניסוייו של תומסון, מעבר לגילוי האלקטרון, בישרו על עידן חדש בפיזיקה ניסיונית: עידן של יצירת קרניים מחלקיקים טעונים וחקר תכונותיהם על ידי מחקר התנועה שלהם בשדות חשמליים ומגנטיים. בשיטות אלו נעשו שימושים בניסויים במאיצי חלקיקים שהובילו לתגליות רבות בפיזיקה גרעינית ולגילויים של חלקיקים אלמנטריים. בנוסף, התחום של ספקטרומטריית מסות, המבוסס על מדידת המסות של יונים בשיטות שונות המבוססות על הדינמיקה של היונים בשדות חשמליים ומגנטיים, החל את דרכו בניסויים אלו.
משפופרות קתודיות לצגי טלוויזיה.
הרכיבים הבסיסיים שמהם בנויים צגי הטלוויזיה המבוססים על שפופרות קתודיות נמצאו כולם בניסויים של תומסון. צגים בטכנולוגית CRT (צגי הטלוויזיה הראשונים שהומצאו, והיחידים שהיו בשימוש עד לשנות ה-90 של המאה ה-20) מבוססים על תותח אלקטרונים שהוא למעשה קתודה, שני זוגות של אלקטרודות המשמשות להסטת הקרן ימינה ושמאלה וכן למעלה ולמטה, ולבסוף מסך מצופה בחומר זרחני (אין קשר ליסוד זרחן) הפולט אור כאשר אלקטרונים פוגעים בו. צג ה-CRT הראשון הומצא בשנת 1897 על ידי הפיזיקאי הגרמני קרל פרדיננד בראון. בצגי הטלוויזיה, הקרן הקתודית סורקת במהירות את המסך, ועוצמת האור בכל נקודה על גבי המסך נקבעת לפי האות החשמלי הנכנס למכשיר. באופן זה מכשירי ה-CRT משמשים כמתמר ההופך אות חשמלי לתמונה.
צגים המבוססים על שפופת קרן קתודית זכו למגוון רחב של שימושים, העיקריים בהם כמכשירי טלוויזיה, צגי מחשב, תצוגות מכ"ם ואוסצילוסקופים. רק בסוף שנות ה-90 של המאה ה-20 החלו מסכים המבוססים על טכנולוגיות אחרות כגון LCD ופלזמה להחליף בהדרגה את מסכי הקרן הקתודית.
החיסרון בצגים אלו הוא עומקם: על מנת לקבל תמונה גדולה תמונה חדה בעזרת שפופרת קרן קתודית יש צורך במרחק גדול בין הקתודה לבין המסך, בעוד שטכנולוגיות אחרות מאפשרות לייצר צגים שטוחים.
מנגנוני פליטה של האלקטרון מהקתודה.
על מנת שתיווצר קרינה קתודית, חייב להיות מנגנון המאפשר לאלקטרונים להתנתק מהקתודה. קיימים מספר מנגנונים כאלו:
פליטה על ידי שדה חשמלי (Field emission).
כאשר מופעלים שדות חשמליים חזקים, הם מנמיכים את מחסום הפוטנציאל הקושר אלקטרונים למתכת, במידה כזאת המאפשרת לאלקטרון לבצע מינהור דרך המחסום. ההסתברות שאלקטרון יבצע מינהור היא נמוכה מאוד, ולכן הזרמים המתקבלים בתהליך זה הם נמוכים. המדען הראשון שתיאר את המנגנון הזה היה הפיזיקאי האמריקני רוברט ווד (Robert W. Wood) בשנת 1897.
פליטה תרמיונית (Thermionic emission).
פליטה זו מתרחשת כאשר מחממים את הקתודה לטמפרטורה גבוהה מספיק כך שחלק מהאלקטרונים מקבלים אנרגיה גבוהה דיה על מנת להשתחרר מהאלקטרודה. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך זרם האלקטרונים המתקבל גבוה יותר (מכיוון שלאחוז גבוה יותר של אלקטרונים יש אנרגיה מספיק גבוהה בשביל להתנתק מהאלקטרודה).
הפליטה התרמיונית התגלתה לראשונה בשנת 1873 על ידי דניאל לורדן, שהבחין שכדור טעון שלילית המחומם לטמפרטורה גבוהה, מאבד אט אט את המטען שלו. התופעה התגלתה מחדש על ידי תומאס אדיסון בשנת 1880 כאשר ניסה לחקור את הסיבות שחוטי הלהט בנורות שהוא המציא נאכלים עם הזמן, ומסיבה זאת התופעה נקראה גם "אפקט אדיסון". בהתבסס על ניסוייו של אדיסון, שילב ג'ון פלמינג (John Ambrose Fleming) פליטה תרמיונית בשפופרת קתודית וכך המציא את הדיודה הראשונה, בשנת 1904. המחקר החשוב ביותר והאפיון של התופעה התבצע על ידי אוון ריצ'רדסון (Owen Willans Richardson) ועל כך הוא זכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1928.
גילוי הפליטה התרמיונית חולל מהפכה בניסויים בשפופרות קתודיות, שכן הוא איפשר לבצע את הניסויים בזרמים גבוהים של אלקטרונים, ובאופן זה גם פרץ את הדרך לשימושים המעשיים בשפופרות קתודיות. כך לדוגמה, בצגי טלוויזיה, הקתודה שבתוך תותח האלקטרונים היא למעשה חוט להט המחומם לטמפרטורה גבוהה (כאלפיים מעלות), וכך מתאפשר זרם מספיק של אלקטרונים בשביל ליצור צבעים בוהקים על המסך.
האפקט הפוטואלקטרי.
כאשר האלקטרודה מוארת באור בתדר מתאים, אלקטרונים יכולים לצבור מספיק אנרגיה על ידי בליעה של אור, על מנת להשתחרר מהאלקטרודה.
האפקט הפוטואלקטרי התגלה לראשונה על ידי היינריך הרץ אשר גילה שאור אולטרה סגול גורם לאוויר להיות טעון יותר. ג'יי ג'יי תומסון היה הראשון להשתמש בשפופרת קרן קתודית כדי לחקור את האפקט הפוטואלקטרי, ואחריו המשיך בכך פיליפ לנארד. מחקריהם הניבו שורה של תגליות: הסתבר שכמות האלקטרונים הנפלטים מהקתודה תלויה בעוצמת האור, כי מהירות האלקטרונים קשורה לאורך הגל של האור (או לתדר שלו) וכן כי קיימת תופעת סף – תדר מינימלי או אורך גל מקסימלי לפליטת אלקטרונים. את שלל התופעות הניסיוניות הללו הסביר באופן תאורטי אלברט איינשטיין, בשנת 1905, על בסיס ההנחה (שמקורה בעבודותיו של מקס פלאנק על קרינת גוף שחור) שהאור איננו רק גל, אלא ניתן גם לתיאור כמורכב מחלקיקים, הקרויים היום פוטונים. ההסבר של איינשטיין נחשב היום לאחת מאבני הדרך החשובות בדרך לביסוס תורת הקוונטים, ובזכותו קיבל איינשטיין פרס נובל לפיזיקה בשנת 1921.
שפופרת הריק.
אחד הרכיבים האלקטרוניים הבסיסיים והחשובים ביותר הוא הדיודה: התקן המעביר זרם בכיוון אחד בלבד. הדיודות הראשונות התבססו על שפופרות קתודיות ונעזרו בתופעת הפליטה התרמיונית. המונח שפופרת ריק משמש לתיאור שפופרת קרן קתודית שאינה ממולאת בגז, ומשמשת כרכיב אלקטרוני (דיודה, מגבר ועוד).
דיודה המבוססת על שפופרת ריק (דיודת ואקום) כוללת שתי אלקטרודות הנמצאות בתוך שפופרת ריק, אשר אחת מהן מחוממת לטמפרטורה גבוהה (באופן טיפוסי, משתמשים בחוט להט כאלקטרודה, בדומה לחוט הלהט שנמצא בתוך נורות חשמליות). אם מפעילים מתח חשמלי שלילי על האלקטרודה החמה, האלקטרונים המשתחררים ממנה מואצים אל האלקטרודה החיובית, ומתקבל זרם חשמלי; לעומת זאת, אם הופכים את המגעים ומחברים לאלקטרודה החמה את המתח החיובי, לא יתקבל זרם, כי האלקטרונים נמשכים בחזרה אליה. מכאן שהדיודה משמשת כהתקן המעביר זרם חשמלי רק בכיוון אחד. ג'ון פלמינג השתמש בדיודה על מנת לבנות מיישר זרם בשנת 1904. רוברט פון ליבן (Robert von Lieben) ולי דה פורסט (Lee De Forest) הוסיפו אלקטרודה נוספת, בצורה של רשת, בין הקתודה לאנודה, והראו שהפעלה של מתח קטן על אלקטרודת הרשת מאפשרת לשנות בצורה חזקה את הזרם העובר בשפופרת. המצאתם היא למעשה המגבר הראשון.
המצאת הדיודה סללה את הדרך לבנייה של מעגלים אלקטרוניים וכך הביאה לשלל המצאות חדשות כגון הרדיו והמחשב. למעשה רוב המכשירים האלקטרוניים עד לשנות השבעים של המאה ה-20 התבססו על שפופרות ריק. בשנת 1948 הומצא הטרנזיסטור המבוסס על מוליך למחצה, שניתן להשתמש בו כתחליף לשפופרות ריק, ומאז ואילך האלקטרוניקה עברה בהדרגה לשימוש בהתקנים מוליכים למחצה.
החיסרון העיקרי של דיודות המבוססות על שפופרות ריק הוא זמן חיים קצר יחסית, בשל בלאי והרס הריק והתפוררות הקתודות החמות. בעיות נוספת של שפופרות ריק, לעומת ההתקנים המבוססים על מוליכים למחצה, הן קושי במזעור הדיודות (הטכנולוגיה של התקנים מוליכים למחצה השתפרה לאורך השנים באופן שאיפשר להקטין את גודל הטרנזיסטורים למחצית בכל שנתיים לערך, תופעה הנקראת חוק מור) וצריכת הספק גבוהה כתוצאה מהצורך בחימום הקתודה.
היתרון העיקרי של שפופרות ריק הוא כי ההתנהגות שלהם קרובה מאוד לאידיאלית (ליניאריות בתחום רחב) לעומת התקני מוליכים למחצה, שתחום הליניאריות שלהם מוגבל. מסיבה זאת עדיין נעשה שימוש כיום בשפופרות ריק, בעיקר כמגברים במערכות מוזיקה יוקרתיות, שכן הצליל המופק בעזרתן נחשב לטוב יותר.
ניסוי פרנק הרץ.
בשנת 1913 ביצעו ג'יימס פרנק וגוסטב הרץ ניסוי המבוסס על שפופרת קתודית, עליו הם זכו בפרס נובל בפיזיקה בשנת 1925. הם השתמשו בשפופרת קרן קתודית שבתוכה הותקנה רשת, שעליה ניתן להפעיל מתח חשמלי, וכך להאיץ את האלקטרונים הנפלטים מהקתודה. פרנק והרץ, בשלב הראשון, מדדו את זרם האלקטרונים דרך הקתודה כפונקציה של האנרגיה הקינטית שלהם וקיבלו תלות חלקה וקבועה. בשלב השני הם הוסיפו לשפופרת אדים של כספית, וחזרו על הניסוי. במקרה זה הם גילו שהזרם המתקבל דרך הקתודה איננו פונקציה חלקה, כמו שניתן לראות באיור, אלא מראה התנהגות של עליות וירידות.