電気素量

電気素量：物理学を支える最小の電荷

電気素量とは、電気量の最小[単位]]であり、素電荷、あるいは電荷素量とも呼ばれます。記号eで表され、物理学において最も重要な基礎定数の1つです。その値は、電子1個が持つ電荷の大きさ、あるいは陽子や陽電子が持つ電荷の大きさに等しく、1.602176634×10⁻¹⁹[[クーロン]と定義されています。

この値は、単に電子の電荷の大きさを表すだけでなく、原子核物理学、化学、素粒子物理学など、幅広い分野で重要な役割を果たします。原子核物理学や化学においては、粒子の電荷を表す際に用いられ、素粒子物理学では、電磁相互作用の強さを示すゲージ結合定数として現れます。電磁相互作用の強さを示す指標として、電気素量の値は、この相互作用の大きさを決定づける重要な役割を担っています。

クォークは、電気素量の1/3または2/3の電荷を持つとされていますが、クォークは単独で観測されたことがないため、現在の物理学においても電気素量の値は変わりません。

電気素量の測定の歴史

電気素量の正確な測定には、長い歴史と多くの科学者たちの努力が注がれてきました。

1897年、ジョン・タウンゼントの実験: 電気分解によって発生する帯電した気体イオンの量と帯電量を測定することで、電気素量の値を推定しました。
1898年、J.J.トムソンの実験: 水蒸気をイオン化し、電流と水蒸気の質量から電気素量を求めました。
1903年、ジョン・タウンゼントとH.A.ウィルソンの実験: 水蒸気のイオンの電界中の落下速度から電気素量を算出しました。
1909年、ミリカンの油滴実験: 油滴を用いたウィルソン実験を改良し、様々な誤差要因を排除することで、高い精度で電気素量を測定しました。この実験により、電気素量の値は1.592×10⁻¹⁹クーロンと報告されました。これは現在の値と非常に近い値です。

これらの実験を通して、電気素量の値は次第に精密に測定されるようになり、現代物理学における重要な基礎定数としての地位を確立しました。

単位系と電気素量

歴史的に、電磁気量の単位系は、力学量の単位系と、電磁気的な力の大きさに基づいて定義されてきました。そのため、電気素量とは直接的な理論的関係はありませんでした。しかし、現在の国際単位系(SI)では、電気素量は電磁気量の単位を定義する定義定数の一つとして位置付けられています。これは、歴史的な単位系からの変換係数を簡素化するために選ばれた値であり、電気素量が定数であるという以上の理論的な裏付けはありません。

1モルあたりの電子の電気量はファラデー定数(F)と呼ばれ、電気素量にアボガドロ定数(NA)を掛けたものになります。

量子電気力学における電気素量

量子電気力学では、電気素量は、ある時空点において電子が光子を放出または吸収する確率振幅の大きさに対応します。ファインマンダイアグラムを用いることで、この関係をより明確に理解することができます。電気素量は、量子電気力学における基本的な量であり、様々な物理現象を記述する上で不可欠な役割を果たします。

参考文献

R. A. ミリカン (1913). “On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant”. Phys. Rev. 2: pp.109-143. doi:10.1103/PhysRev.2.109.
R. A. ミリカン (1911). “The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of Its Charge, and the Correction of Stokes's Low”. Phys. Rev. (Series I) 32 (4): pp.349-397. doi:10.1103/PhysRevSeriesI.32.349.
* 西条敏美『物理定数とは何か－自然を支配する普遍数のふしぎ』講談社〈ブルーバックス〉、1996年10月。ISBN 4-06-257144-7.

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