Počet voľných elektrónov sa vzdialenosťou od katódy k anóde zväčšuje (elektrónová lavína).
Anódové svetlo vzniká pôsobením voľných elektrónov na atómy plynu. Jeho farba závidí od použitého plynu a jeho tlaku v trubici. Výbojové trubice (uprostred vhodne zúžené) s anódovým svetlom sú vhodnými zdrojmi svetla na spektrálne účely.
Pri ďalšom zrieďovaní vzduchu v trubici sa tmavé priestory rozširujú, intenzita svetla sa zmenšuje, až pri tlaku asi 2.5 Pa anódové svetlo zmizne. Aj tak trubicou prechádza elektrický prúd, ktorý sprostredkuje elektróny. Tieto elektróny vyletujú kolmo z katódy účinkom elektrického poľa a takmer bez zrážok doletia do priestoru anódy, kde spôsobia žltozelené svetielkovanie. Ich dopadom sa anóda zohrieva. Tok elektrónov z katódy vo vyčerpanej trubici nazývame katódové žiarenie.
V praxi sa zo súboru letiacich elektrónov vymedzuje úzky zväzok, ktorý sa nazýva elektrónový lúč.
S elektrónovými lúčmi sa pracuje výlučne vo vákuu. Majú špecifické vlastnosti a mnohostranné praktické využitie:
1. Ionizujú vzduch a ostatné plyny. To sa využíva na získavanie iónov pre urýchlovače, v ktorých ióny získavajú veľké energie.
2. Miesto dopadu sa zohrieva. Prakticky sa to využíva pri tavení kovov a zváraní elektrónovým lúčom.
3. Prenikajú veľmi tenkými materiálmi a rozptyľujú. Časť elektrónov sa pritom odrazí aj od povrchu, preto možno elektrónový lúč využiť na výskum povrchu pevných látok.
4. Spôsobujú svetielkovanie látok. Na tejto vlastnosti sú založené prístroje s obrazovkou, napr. televízny prijímač, osciloskop, rádiolokátor. Majú aj chemický účinky - pôsobia na fotografický materiál.
5. Vyvolávajú neviditeľné röntgénové žiarenia, ak dopadajú na kovové materiály s veľkou relatívnou atómovou hmotnosťou. Pomocou röntgenového žiarenia sa robia diagnostické vyšetrenia rozličných častí ľudského tela, zisťuje sa štruktúra kryštálov a defekty (trhliny) v materiáloch.
6. Vychyľujú sa v elektrickom a magnetickom poli. Táto vlastnosť sa využíva v prístrojoch s obrazovkou na záznam dynamických procesov.
Voľné elektróny nemôžu opustiť kov, lebo sú priťahované kladnými iónmi. Ich potenciálny energia je vnútri kovu menšia ako na jeho povrchu. Keď však voľné elektróny získajú dostatočnú kinetickú energiu, napr. tepelnou výmenou alebo ožiarením, môžu kov opustiť.
Uvoľňovanie elektrónov z povrchu pevných alebo kvapalných telies pri vysokej teplote nazývame termoemisia.
Mierou najmenšej energie potrebnej na uvoľnenie elektrónu z kovu je výstupná práca W. Závisí od druhu kovu, čistoty jeho povrchu.
Najvýznamnejšou vákuovou elektrónkou je obrazová elektrónka, stručne obrazovka.