Los rayos son desviados por un campo magnético en la misma dirección que cabría esperar para una partícula cargada negativamente proyectada desde el cátodo. Para explicar las propiedades peculiares de estos rayos, Crookes supuso que consistían en partículas electrizadas negativamente, que se movían con gran velocidad y constituían, como él denominó acertadamente, «un nuevo o cuarto estado de la materia». La naturaleza de estos rayos fue durante veinte años motivo de mucha controversia, pues mientras unos sostenían su carácter material, otros consideraban que eran una forma especial de movimiento ondulatorio en el éter.
Perrin y J. J. Thomson demostraron que los rayos siempre llevaban consigo una carga negativa, mientras que Lenard hizo el importante descubrimiento de que los rayos atravesaban una fina lámina metálica y otras sustancias opacas a la luz ordinaria.
Utilizando esta propiedad, hizo pasar los rayos a través de una ventana delgada y examinó las propiedades de los rayos fuera del tubo de vacío en el que se habían producido.
Se demostró que la absorción de los rayos por la materia era casi proporcional a la densidad en un intervalo muy amplio, y que era independiente de su constitución química.
La naturaleza de estos rayos fue demostrada con éxito por J. J. Thomson46 en 1897.
Si los rayos consistían en partículas cargadas negativamente, debían ser desvíados en su paso a través de un campo eléctrico, así como a través de un campo magnético. Un experimento de este tipo había sido intentado por Hertz, pero con resultados negativos.
J. J. Thomson, sin embargo, descubrió que los rayos eran desvíados por un campo eléctrico en la dirección esperada para una partícula cargada negativamente, y demostró que el fracaso de Hertz en detectar lo mismo se debía al enmascaramiento del campo eléctrico por la fuerte ionización producida en el gas por el flujo catódico. Este efecto se eliminó reduciendo la presión del gas en el tubo.
El arreglo experimental utilizado para la desviación eléctrica de los rayos se muestra en la Fig. 10.
Los rayos catódicos se generan en el cátodo C, y se obtiene un haz estrecho de rayos haciéndolos pasar a través de un disco perforado AB. Los rayos pasan entonces por el punto medio entre dos placas paralelas aisladas D y E, separadas d centímetros, y mantenidas a una diferencia de potencial constante V. El punto de incidencia del haz de rayos quedó señalado por una mancha luminosa producida en una pantalla fosforescente situada en PP´.
La partícula que lleva una carga negativa e, al pasar entre las placas cargadas, experimenta la acción de una fuerza Xe dirigida hacia la placa positiva, donde X, la intensidad del campo eléctrico, viene dada por