档案回顾：电子的发现 | 科学美国人

为纪念我们创刊150周年，我们重温了那些帮助定义科学进步、理解和创新的《Popular Science》故事（包括成功与失败），并加入了现代背景。探索完整的《档案精选》系列，并在此查看所有周年纪念报道。

就人类的认知而言，电子在2022年4月30日迎来了125岁生日。当然，亚原子粒子自宇宙大爆炸后不久就一直存在，但在地球上，直到1897年4月30日，英国物理学家J. J. Thomson在伦敦皇家学会宣布其发现时，人们才得知它们的存在。

1901年8月，Thomson为《科学美国人》撰写了《论比原子还小的粒子》，详细阐述了他的发现及其方法。以今天的标准来看，这篇文章读起来像是期刊文章和回忆录的混合体，捕捉了他发现时的自豪和激动。Thomson因分离出电子作为所有原子的基本构成而获得了诺贝尔物理学奖。

在Thomson发现电子时，没有人发现过比氢原子（一个质子和一个电子，没有中子）更小的东西。然而，电能在物质中流动的能力——以及Thomson引用的玛丽·居里辐射实验及其相关的电场——暗示了这种可能性。

Thomson的贡献远不止发现电子；他的方法，包括在电极之间加速粒子，开创了研究亚原子世界的新途径，即利用加速器和对撞机来粉碎微小的物质。到1911年，欧内斯特·卢瑟福提出了他的原子模型，该模型证实了Thomson的电子发现，但否定了他关于原子均匀分布（质子与电子配对）的更广泛假设。如今，诸如夸克和中微子等比电子还小的各种粒子构成了1970年代发展的标准模型。也许最难以捉摸的是希格斯玻色子——被认为是所有亚原子粒子的质量起源——它于2012年首次被欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机的物理学家瞥见。但即使是标准模型也有其不足之处，例如暗物质和反物质，这在一个世纪后仍在驱动着对“比原子更小”的物质的探索。

《论比原子还小的粒子》（J. J. Thomson，1901年8月）

约三十年前，Loschmidt、Johnstone Stoney和Lord Kelvin等人通过各种方法首次研究了不同气体的原子质量。这些物理学家运用气体动理论的原理，并做出了一些并非完全令人满意（因为涉及到原子的形状）的假设，来确定某种气体的原子质量；一旦知道了某种物质的原子质量，就可以通过众所周知的化学原理轻松推导出所有其他物质的原子质量。

“这些研究的结果可能不会留下太多空间给比普通原子更小的物质的存在，因为它们表明，在常温常压下，每立方厘米气体中有大约2千万亿万（2 x 10¹⁹）个气体分子。”

尽管获得这一结果的一些论证有待商榷，但该结果本身已得到完全不同的考量的证实。例如，Lord Rayleigh已证明，每立方厘米的分子数约为空气光学不透明度的正确值；同时，我现在将要描述的一种可以直接测量气体中分子数的方法，其结果与Loschmidt的结果几乎完全相同。该方法基于法拉第电解定律；我们从这些定律推断，通过电解质的电流是由电解质的原子携带的，并且所有这些原子都带有相同的电荷，因此携带给定电荷所需的原子重量与携带的电荷量成正比。我们也知道，通过电解实验的结果，携带单位电荷需要约1/10毫克的氢原子集合；因此，如果我们能够测量氢原子上的电荷，那么1/10的电荷就是氢原子（以毫克为单位）的重量。这是在电流通过液体电解质的情况下。我现在将解释如何测量携带给定电荷通过稀薄气体的电荷载体的质量。在这种情况下，适用于液体电解质的直接方法无法使用，但存在其他（尽管更间接的）方法，我们可以通过这些方法来解决问题。我们将考虑的第一个气体导电案例是所谓的阴极射线，即真空管中从负电极发出的射流，它们会在管壁上产生众所周知的绿色磷光。这些射线现在已知是由快速移动的带负电粒子组成的。让我们看看如何确定给定质量的这些粒子所携带的电荷。我们可以通过测量电场和磁场对粒子的影响来做到这一点。如果它们带有电荷，当受到电场作用时，它们应该会发生偏转。然而，直到一段时间后才观察到这种偏转，并且许多尝试获得这种偏转的努力都失败了。失败的原因是构成阴极射线的快速移动的带电粒子会使它们经过的气体成为导电体；粒子因此像是移动在导电管内部，这些导电管将它们与外部电场隔离开；通过将管内的气体压力降低到几乎没有气体能导电的程度，我能够消除这种屏蔽效应，并获得射线在静电场中的偏转。阴极射线也会被磁铁偏转，磁场施加在它们上的力垂直于磁场，也垂直于粒子的速度，并且等于 Hev sin 𝜽，其中 H 是磁场强度，e 是粒子上的电荷，𝜽 是 H 和 v 之间的角度。Sir George Stokes 早已证明，如果磁场垂直于粒子的速度，那么粒子将描述一个半径为 mv/eH 的圆（如果 m 是粒子的质量）；我们可以测量这个圆的半径，从而找到 m/ve。要找到 v，让电场 F 和磁场 H 同时作用于粒子，电场和磁场都垂直于粒子的路径，并且也相互垂直。让我们调整这些力，使得电场力 F e 与磁场力 Hev 相等；在这种情况下，Fe = Hev 或 v = F。因此，我们可以找到 v，并且已知（从之前的实验）vm/e 的值，我们可以推导出 m/e 的值。以这种方式找到的 m/e 值约为 10^-7，而 Wiechert、Kaufmann 和 Lenard 使用的其他方法也得到了相差不大的结果。由于 m/e = 10^-7，我们看到，要通过构成阴极射线的粒子携带单位电荷，只需这些粒子的质量达到千分之一毫克，而要通过氢原子携带相同电荷则需要十分之一毫克。*

因此，用氢原子携带给定电荷所需的质量，比用构成阴极射线的带负电粒子携带电荷所需的质量大一千倍。而且，值得注意的是，虽然携带给定电荷的原子质量取决于原子的种类（例如，氧原子比氢原子大八倍），但携带给定电荷所需的阴极射线粒子的质量与射线的传播气体以及电极的性质完全无关。

这些粒子相对于给定电荷而言极其微小的质量，可能归因于每个粒子的质量远小于氢原子，或者归因于每个粒子所携带的电荷远大于氢原子所携带的电荷。因此，确定一个粒子所携带的电荷至关重要。问题如下：假设在一个封闭空间中，我们有许多带电粒子，每个粒子都带有相同的电荷，要求出每个粒子的电荷。通过电气方法很容易确定粒子集合的总电荷量，并且知道了这个量，如果能计算出粒子的数量，就可以得出每个粒子的电荷。要计算这些粒子，第一步是使它们可见。我们可以利用C. T. R. Wilson在Cavendish实验室的研究成果。Wilson已经表明，当湿润无尘的空气中存在带正电和负电的粒子时，当空气突然膨胀时会产生云，尽管这种膨胀量不足以在没有带电粒子存在的情况下产生冷凝；水会围绕带电粒子冷凝，如果这些粒子数量不多，每个粒子就会成为小水滴的核。现在，Sir George Stokes已经证明了如何计算水滴在空气中下落的速度，如果我们知道水滴的大小，反之，我们可以通过测量水滴在空气中下落的速度来确定水滴的大小，因此，通过测量云下落的速度，我们可以确定每个小水滴的体积；冷却空气沉积的水的总体积很容易计算，用水的总体积除以一个水滴的体积，就可以得到水滴的数量，进而得到带电粒子的数量。然而，我们已经看到，如果我们知道粒子的数量，我们就可以得出每个粒子的电荷；通过这种方式，我发现每个粒子的电荷约为 6.5 × 10^-10 静电单位电荷，或 2.17 × 10^-20 电磁单位。根据气体动理论，在常温常压下，每立方厘米气体中有 2 × 10¹⁹ 个分子；一立方厘米的氢气重约1/11毫克，每个分子的质量约为1/(22 × 10¹⁹)毫克，因此每个原子的质量约为1/(44 × 10¹⁹)毫克，而且我们已经看到，在电解溶液中，十分之二毫克携带单位电荷，氢原子携带的电荷等于 10/(44 × 10¹⁹) = 2.27 × 10^-29 电磁单位。我们已经看到，气体中粒子的电荷等于 2.17 × 10^-20 单位，这些数字非常接近，考虑到实验的困难，我们可以确信，这些气体粒子上的电荷与电解中氢原子的电荷相同。Professor Townsend通过一种方法验证了这一结果，该方法他发现的不是粒子电荷的绝对值，而是该电荷与氢原子电荷的比值，他发现这两个电荷是相等的。

由于粒子和氢原子的电荷相同，而携带给定电荷的粒子质量仅为氢原子质量的千分之一，这表明每个粒子的质量只有氢原子质量的约1/1000。这些粒子存在于放电管内的阴极射线中，因此我们从管内物质中获得了比迄今为止已知的最小质量——氢原子质量——小得多的粒子。这些带负电的粒子，我称之为“电子”，无论管内气体的性质或电极的性质如何，都具有相同的电荷和质量；电荷和质量是恒定的。因此，它们构成了所有气体，可能还有所有液体和固体的原子或分子的恒定组成部分。

电子也并非局限于阴极射线所在的、有些难以企及的区域。我发现，它们会从炽热的金属、被紫外线照射的金属中逸出，而Becquerel以及Professor和Madame Curie的研究表明，它们会从神奇的镭元素中逸出。事实上，在所有在低压下（即电子没有附着物时）传输负电荷通过气体的场合，都发现负电荷的载体是这些质量恒定的电子。

正电荷的情况则截然不同。Wien和Ewers已经测定了真空管中正电荷载体的质量，我也测量了白炽丝在气体中产生的正电荷的质量。这些实验结果表明，正电荷和负电荷的性质存在显著差异，因为正电荷不是与氢原子质量的1/1000的恒定质量相关联，而是始终与与普通分子同数量级的质量相关联，而且这种质量还随着电荷存在的气体性质而变化。

这两个结果——负电荷载体的质量不变且极小，以及正电荷载体的质量可变且相对较大——在我看来，清晰地指向了一个非常明确的关于电本质的构想。它们难道没有明显地表明，负电荷由这些电子组成，或者换句话说，这些电子就是负电荷：而正电荷是由普通原子中缺少这些电子造成的吗？这样，这一观点就非常接近富兰克林早期的单流体理论；在该理论中，电被视为一种流体，电荷状态的变化被视为这种流体在不同地方的传输。如果我们把富兰克林的电流体看作是带负电的电子集合，那么早期的单流体理论在许多方面都能解释新理论的结果。我们已经看到，我们对“电流体”了解很多；我们知道它是分子性的，或者更确切地说是电子性的；我们知道每个电子的质量以及它所携带的电荷；我们还看到，电子移动的速度可以毫不费力地确定。事实上，电流体比普通气体更容易进行实验，并且其结构细节也更容易确定。

负电荷（即电流体）具有质量；带负电的物体比处于中性状态的同一物体具有更大的质量；而正电荷，由于它涉及到电子的缺失，则伴随着质量的减小。

有一个有趣的问题浮现出来，即这些电子的质量性质，我们可以用以下方式说明。当一个带电电子移动时，它会在其周围区域产生一个磁场，其强度与电子的速度成正比；现在，在磁场中，能量与强度平方成正比，因此，在这种情况下，与电子速度的平方成正比。

因此，如果e是电子上的电荷，v是它的速度，那么在电子周围区域将存在等于½βe²v²的能量，其中β是取决于电子形状和大小的常数。同样，如果m是电子的质量，那么它的动能是½mv²，因此由移动的带电电子产生的总能量是½(m + βe²)v²，所以对于相同的速度，它具有与非带电物体相同的动能，该非带电物体的质量比带电物体大βe²。因此，根据我二十年前的论述，一个带电物体由于其电荷而拥有一个表观质量，这与其自身普通物质造成的质量是分开的。因此，在这些电子的情况下，它们的质量的一部分无疑是由于它们的带电性，问题在于它们的全部质量是否可以由此解释。我最近做了一些旨在检验这一点进行的实验；这些实验的原理如下：如果电子的质量是普通的“机械质量”，那么当一个快速移动的电子与固体障碍物碰撞而被阻止时，其动能将驻留在电子中，并将用于加热碰撞点附近障碍物的分子，我们应该预期产生的热量的机械当量等于电子的动能。另一方面，如果电子的质量是“电性的”，那么动能不在电子本身，而是在其周围的介质中，并且当电子被阻止时，能量会以一个脉冲的形式向外传播，该脉冲被限制在一个以光速传播的薄壳中。我曾建议，这个脉冲形成了当电子撞击障碍物时产生的伦琴射线。根据这种观点，碰撞的第一个效应是产生伦琴射线，因此，除非撞击电子的障碍物吸收了所有这些射线，否则障碍物中产生的热量能量将小于电子的能量。因此，根据电子的质量完全或主要源于其电荷的观点，我们应该预期当电子撞击一个对伦琴射线（由产生电子的管子发出的）可渗透的靶子时，产生的加热效果会小于它们撞击一个对这些射线不透的靶子时。我已经测试了在可渗透和不透靶子上产生的加热效果，但从未发现任何显著差异。实际观察到的差异与总效应相比很小，有时朝一个方向，有时朝另一个方向。因此，这些实验表明，电子的全部质量源于其电荷的观点是不成立的。质量普遍源于电荷的想法是一个迷人的想法，尽管目前尚未与经验结果调和。

这些粒子的微小尺寸使得它们很可能成为研究分子结构细节非常有价值的手段，而这种结构如此精细，以至于连光波都过于宏大而无法对其进行研究，因为一个波长就跨越了许多分子。Lenard对这些电子穿过不同物质所受到的阻碍进行的研究完全证实了这一预期。Lenard发现这种阻碍仅取决于物质的密度，而与化学成分或物理状态无关。他发现，如果他取相同面积但厚度不同的各种物质的薄板，使得所有薄板的质量都相同，那么无论薄板由什么材料制成，无论是绝缘体还是导体，无论是气体、液体还是固体，它们对电子穿过的阻力都是相同的。现在，这正是原子是由大量等质量的等粒子聚集而成的情况；原子的质量与其中包含的粒子数量成正比，而原子是这些粒子的集合，电子可能在粒子间的空隙中穿行。因此，电子与原子之间的碰撞与其说是电子与整个原子之间的碰撞，不如说是电子与组成原子的单个粒子之间的碰撞；并且，如果单位体积内的粒子数量相同，那么无论这些粒子聚集在什么元素原子中，电子发生的碰撞次数以及它所受到的阻力都将是相同的。现在，单位体积内的粒子数量由物质的密度决定，因此，根据这种观点，密度本身应该决定物质对电子运动的阻力；然而，这正是Lenard的结果，因此强烈证实了元素原子是由更简单的、全部相同的粒子组成的观点。这种以及类似的物质构成观点曾被多次倡导；例如，在其一种形式中，称为Prout假说，所有元素都被认为是氢的化合物。然而，我们知道，原始原子的质量必须远小于氢原子。Sir Norman Lockyer在光谱学基础上倡导了元素的复合观点，但这种观点从未像牛顿很久以前所说的那样大胆陈述：

“物质的最小粒子可能通过最强的吸引力结合，形成具有较弱效能的较大粒子，并且其中许多粒子可以结合形成具有更弱效能的更大粒子，如此反复，直到该进程在最大的粒子上结束，而化学操作和自然物质的颜色就取决于这些最大的粒子，它们通过粘附形成可感知的物体。”

我们用来证明电子运动阻力仅取决于密度的推理，只有当一个粒子对电子的作用范围不延伸到最近的粒子时才有效。我们稍后将表明，粒子对电子的作用范围取决于电子的速度，速度越小，作用范围越大，并且如果速度下降到每秒10⁷厘米，那么根据我们对电子电荷和分子大小的了解，粒子作用范围可能比两粒子之间的距离更远，因此对于以这种速度和更低速度运动的电子，我们不应该期望密度定律成立。

金属中自由电子或负电荷的存在

在迄今为止描述的案例中，带负电的电子是通过需要使释放电子的物体经历一些特殊处理的过程获得的。例如，在阴极射线的情况下，电子是通过强电场获得的；在白炽丝的情况下，是通过高温；在冷金属表面情况下，是通过暴露于光。问题是，即使在普通的物质状态下，不受这些因素作用，是否在某种程度上会自发地释放这些电子，即中性分子以某种方式分解为带正电和负电的部分，其中后者是带负电的电子。

让我们考虑一下这种效应在金属中发生的一些后果，即金属原子分解成带负电的电子和带正电的原子，然后这些原子经过一段时间后重新结合形成中性系统。当达到稳定状态时，在给定时间内重新结合的电子数量将等于在同一时间内释放的数量。因此，金属中将充斥着这些电子群，它们将像气体分子一样四处移动，并且由于它们可以通过与金属分子的碰撞获得或失去能量，我们应该根据气体动理论预期它们将获得一个平均速度，使得在金属中移动的电子的平均动能等于金属温度下的气体分子的平均动能；这将使得在0°C时的电子平均速度约为每秒10⁷厘米。当暴露于电场时，这个带负电的电子群将沿与力相反的方向漂移；这种电子的漂移将是电流，因此我们可以以此来解释金属的导电性。

在给定电场下，穿过单位面积的电量将取决于并随着（1）金属单位体积内的自由电子数量、（2）这些电子在电场作用下在金属原子之间移动的自由度而增加；后者将取决于这些电子的平均速度，因为如果它们以非常快的速度移动，电场在与原子碰撞之前几乎没有时间作用，并且电场产生的效果将被抵消。因此，电子在电场作用下获得的平均漂移速度将随着由温度确定的平均平动速度的增加而减小。由于平均平动速度随温度升高而增加，电子在低温下比在高温下更容易在电场作用下移动，因此，由此原因，金属的电导率会随着温度降低而增加。在我去年秋天在巴黎国际物理学大会上提交的一篇论文中，我描述了一种可以确定单位体积内的电子数量以及它们在电场作用下移动的速度的方法。将其应用于铋，似乎在20°C的温度下，每立方厘米的电子数量与相同温度下、约1/4个大气压的气体相同体积中的分子数量大致相同，并且在1伏特/厘米的电场下，电子的移动速度约为每秒70米。铋是目前唯一具有应用该方法所需数据的金属，但在Cavendish实验室正在进行实验，希望能为将该方法应用于其他金属提供手段。然而，我们已经知道足够多的信息，可以确定好的导体（如金、银或铜）中的电子数量远多于铋，并且这些金属中的电子压力必然达到许多大气压。这些电子增加了金属的比热，而比热给出了金属中电子数量的上限。

该理论的一个有趣应用是关于薄金属膜的导电性。Longden最近表明，当薄膜厚度低于某个值时，薄膜的比电阻随着厚度的减小而迅速增加。这个结果很容易用金属导电的理论来解释，因为当薄膜变薄到其厚度可与电子的平均自由程相比时，电子在薄膜中的碰撞次数将比在本体金属中多，因此薄膜中粒子的迁移率会降低，电导率Consequently会增加。

散布在金属中的电子不仅会携带电流，还会将热量从金属的受热不均部分传递到另一部分。因为如果金属某一部分的电子比另一部分的电子具有更多的动能，那么，由于电子之间以及电子与原子之间的碰撞，动能将倾向于从动能较大的地方传递到动能较小的地方，从而热量将从金属的 P 点流到冷点，因为热量传递的速度会随着电子数量和迁移率的增加而增加，它将受到与电流传导相同的因素的影响，因此好的导电体也应该是好的导热体。如果我们假设所有热量都由电子携带，计算热导率与电导率的比值，我们得到的值与实验发现的值在数量级上是相同的。

韦伯（Weber）多年前就提出，金属的导电性是由于带正电和带负电的粒子在其中运动造成的。里奇（Riecke）和德鲁德（Drude）最近极大地扩展和发展了这一观点。然而，任何基于电解的金属导电性理论都存在一个反对意见，那就是正如电解一样，电流的传输伴随着物质的传输，而这一点尚未在金属中得到证实。这一反对意见不适用于上述理论，因为在这种观点下，携带电流的是“微粒”（corpuscles），这些微粒不是金属原子，而是体积小得多的、对所有金属都相同的粒子。

有人可能会问，如果这些微粒分散在金属中并以每秒约 10⁷ 厘米的平均速度在其中运动，那么为什么有些微粒不会逃逸到周围的空气中呢？然而，我们必须记住，这些带负电的微粒会受到带正电的原子以及很可能也受到中性原子的吸引。因此，要逃脱这些吸引并获得自由，微粒必须拥有一定的能量。如果一个微粒的能量低于这个阈值，那么即使它被射离金属，在短距离传播后也会落回金属中。当金属处于高温时，例如白炽灯丝，或者当它被紫外线照射时，一些微粒会获得足够的能量逃离金属，并在周围气体中产生电离。我们还可以预期，如果我们能给金属充电到如此高的负电荷，以至于电场在原子对微粒的作用范围内（不大于原子对微粒的作用范围）对微粒做的功大于微粒逃逸所需的能量，那么微粒就会逃逸，负电荷就会从金属中流出。在这种情况下，放电可以在没有周围气体参与的情况下进行，甚至可以在绝对真空中进行，如果我们能够实现的话。目前我们还没有这类放电的证据，除非厄尔哈特（Earhart）最近用极短的火花获得的某些有趣结果确实是此类效应的迹象。

微粒自发发射的一个非常有趣的例子是居里夫妇（M. and Madame Curie）发现的放射性物质镭。镭会发出被磁铁偏转的带负电的微粒。贝克勒尔（Becquerel）确定了镭微粒的质荷比，发现它与阴极射线中的微粒相同。然而，镭微粒的速度比迄今为止观察到的任何阴极射线或伦纳德射线（Lenard rays）的速度都要快：据贝克勒尔发现，其速度高达每秒 2 X 10¹⁰ 厘米，约为光速的三分之二。这种巨大的速度解释了为什么镭发出的微粒比阴极射线或伦纳德射线发出的微粒更具穿透力；在这方面差异非常显著，因为后者只能穿透被打成最薄薄膜的固体，而镭的微粒已被居里发现能够穿透 3 毫米厚的玻璃。为了说明速度的增加如何能增加穿透力，让我们以带电微粒与带电体碰撞的例子来说明微粒与金属粒子的碰撞：当微粒靠近带电体，使其通过该物体后的运动方向与开始时明显不同时，就可以说发生了碰撞。简单的计算表明，只有当微粒向带电体出发时的动能与电场力在其到带电体最短距离的旅程中所做的功相比不是很大时，微粒的偏转才会相当大。如果 d 是最短距离，e 和 e’ 分别是带电体和微粒的电荷，则功为 ee’/d；而如果 m 是微粒的质量，v 是其出发时的速度，则初始动能为 ½mv²；因此，微粒的显著偏转，即碰撞，只有在 ee’/d 与 ½mv² 相当时才会发生；并且发生碰撞的距离 d 将与 v² 成反比。由于 d 是碰撞作用范围的半径，而碰撞次数与该球体截面积成正比，因此碰撞次数与 d² 成正比，从而与 v⁴ 成反比。这个例子说明了碰撞次数，因此微粒穿过物质所受的阻力，随着微粒速度的增加而迅速减小，因此我们可以理解为什么来自镭的快速移动的微粒能够穿透那些对来自阴极射线或伦纳德射线的较慢移动的微粒几乎不渗透的物质。

宇宙效应由微粒产生

正如非常热的金属会发射这些微粒一样，一个并非不可能的假设是，它们是由像太阳这样非常热的物体发出的。保尔森（Paulsen）、比克尔兰（Birkeland）和阿伦尼乌斯（Arrhenius）发展了一些基于这一假设的理论，并从这一角度发展了关于北极光的理论。让我们假设太阳发出微粒，这些微粒穿过行星际空间；其中一些将撞击地球大气层的上层区域，然后，甚至在那之前，它们将受到地球磁场的影响。当微粒处于这样的磁场中时，它们将围绕磁力线旋转成螺旋状；由于这些螺旋的半径比大气层的高度要小得多；为了我们目前的讨论，我们可以假设它们沿着地球的磁力线运动。因此，撞击地球赤道地区附近大气层的微粒（那里磁力线是水平的）将水平运动，因此将停留在高层大气层顶部，那里的密度非常小，以至于微粒穿过气体产生的发光很少；当微粒进入更高纬度地区，磁力线向下倾斜时，它们会沿着这些磁力线运动，并进入大气层较低且更密的部分，在那里产生发光，这就是我们所认为的极光。

正如阿伦尼乌斯（Arrhenius）指出的那样，极光的强度应该在极点和赤道之间的某个中间纬度达到最大值，因为尽管在赤道地区来自太阳的微粒雨最大，但地球的磁力使它们处于稀薄的气体中，因此产生的发光很少；而在极点，磁力会将它们直接拉入更密集的空气中，但那时微粒的数量却少得多；因此，最大发光将出现在这两个地方之间的某个位置。阿伦尼乌斯（Arrhenius）已将这一极光理论非常完整地阐述，并表明它能够令人满意地解释极光所受到的各种周期性变化。

当气体被微粒穿过而成为导电体时，空气的上层区域会导电，当这些区域发生气流时，导电物质会被驱动穿过地球磁场产生的磁力线，空气中会感应出电流，而这些电流产生的磁场会引起地球磁场的变化。巴尔福·斯图尔特（Balfour Stewart）很久以前就曾提出，地球磁场的变化是由大气层上层的电流引起的，而舒斯特（Schuster）则通过应用高斯（Gauss）的方法证明，这些变化的根源在地球表面之上。

地球大气中的负电荷不会因为来自太阳的带负电微粒流而无限增加，因为一旦它带上负电荷，它就开始排斥来自空气上层电离气体中的带负电微粒，并且当地球带有足够的负电荷，使得它从大气层上层排斥出的微粒数量等于从太阳到达地球的微粒数量时，就会达到平衡状态。因此，在这种观点下，行星际空间充满了粒子交通，来自太阳的快速移动的微粒，而较慢移动的微粒则流向太阳。

对于像月球那样没有大气的行星，将没有气体可供微粒电离，负电荷会不断增加，直到它变得如此强烈，以至于它对微粒产生的排斥力足以阻止它们到达行星表面。

阿伦尼乌斯（Arrhenius）提出，星云的发光可能不是由于高温，而是由于在太空中游荡的微粒穿过其外层区域而产生的，而星云中的气体是相当冷的。从某些方面来看，这一观点比假设星云处于非常高的温度的观点更有优势。这些以及其他可能举出的例子（如果篇幅允许的话），似乎都表明这些微粒可能在宇宙和地球物理学中扮演着重要的角色。

*舒斯特（Schuster）教授于 1889 年首次应用放电磁偏转法来测定 m/e 的值；他发现该量的极限值差异很大，并得出结论认为它与电解液中的数值处于同一数量级，而上述方法以及维歇特（Wiechert）、考夫曼（Kaufmann）和伦纳德（Leonard）的结果则表明它要小得多。