「電気素量って何？」「ミリカンの実験とはどんな実験？」という疑問を持つ方も多いでしょう。
電気素量は、自然界に存在する電荷の最小単位であり、電子・陽子・イオンなどのすべての荷電粒子の電荷はこの値の整数倍として表されます。
この記事では、電気素量の定義と意味、ミリカンの油滴実験による測定方法、クーロンとの関係、電気素量を使った計算方法について詳しく解説していきます。
基本物理定数として重要な電気素量の理解を深めていきましょう。
目次
電気素量とは：自然界に存在する電荷の最小単位
それではまず、電気素量の定義と基本的な意味について解説していきます。
電気素量（elementary charge）とは、電子一個が持つ電荷の大きさであり、自然界に存在するすべての電荷がこの値の整数倍として表される基本単位です。
記号eで表され、その値はe＝1.602176634×10⁻¹⁹Cです。
電気素量の定義と現在の値
2019年のSI単位改定により、電気素量eはe＝1.602176634×10⁻¹⁹Cと正確に定義されました。
この改定以前は測定によって求めた近似値が使われていましたが、現在は定義値として固定されています。
電気素量の値と関連する粒子の電荷
e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C（定義値）
電子の電荷：qe = −e = −1.602 × 10⁻¹⁹ C
陽子の電荷：qp = +e = +1.602 × 10⁻¹⁹ C
α粒子の電荷：qα = +2e = +3.204 × 10⁻¹⁹ C
一価陽イオン（Na⁺など）：+e
二価陰イオン（SO₄²⁻など）：−2e
電気素量は「電荷の量子」ともいえる基本単位であり、クォークのような素粒子が1/3eや2/3eの電荷を持つことはわかっていますが、クォークは単独では観測されません。
したがって、実験的に観測される粒子の電荷は必ずeの整数倍となっています。
電気素量と電子の発見の歴史
電気素量の概念は、1897年にJ・J・トムソンが電子を発見したことによって確立されました。
トムソンは陰極線管を使った実験で、電子の比電荷（e/m：電荷と質量の比）を測定することに成功しました。
しかしこの時点では電荷eと質量mを個別に決定できず、電気素量の値を精密に測定したのが後述するミリカンの実験です。
電気素量と1クーロンの関係
電気素量の値からクーロン（C）の実体がどれほど大きな電気量かを理解できます。
1Cの電気量は、電気素量eで割ると1C÷1.602×10⁻¹⁹C≈6.24×10¹⁸個の電子の電荷に相当します。
約62京個（6.24×10¹⁸個）の電子が持つ電荷の合計が1Cという膨大な数は、電気素量がいかに小さな単位であるかを示しているでしょう。
ミリカンの油滴実験による電気素量の測定
続いては、電気素量を実験的に測定したミリカンの油滴実験について確認していきます。
ミリカンの実験の原理と装置
1909年〜1913年にかけて、ロバート・ミリカンは油滴実験によって電気素量の値を精密に測定し、1923年にノーベル物理学賞を受賞しました。
実験では、霧吹きで発生させた微小な油滴（半径約1μm）を平行板コンデンサーの間に浮遊させます。
油滴はX線照射などにより帯電しており、重力・空気抵抗・電気力のつり合いを利用して油滴の電荷を測定します。
ミリカンの実験の力のつり合い
油滴が静止するとき：電気力 = 重力 − 浮力
qE = mg’（mg’は見かけの重力）
q：油滴の電荷
E：電場の強さ（V/d、Vは電圧、dは極板間距離）
mg’：重力と浮力の差（ストークスの法則から算出）
油滴の終端速度（重力方向と電場方向それぞれ）を測定することで、油滴の半径・質量・電荷を順次求めることができます。
電気素量の決定方法
ミリカンは多数の油滴について電荷を測定し、得られた電荷の値がすべてある値eの整数倍になることを発見しました。
このeの最小公約数が電気素量であり、ミリカンはe≈1.592×10⁻¹⁹Cという値を得ました（現代の精密値と約1%の誤差）。
電荷が離散的な値（飛び飛びの値）しか取らないことを実験的に示したことがミリカン実験の最大の意義であり、電荷の量子化を証明した歴史的な実験です。
現代における電気素量の精密測定
現代では、ジョセフソン効果と量子ホール効果を組み合わせた精密測定により、電気素量は非常に高い精度で決定されています。
前述のように2019年のSI単位改定ではeが定義値として固定され、それに基づいてクーロンが定義されるという関係に変わりました。
この改定により、電気素量を用いた測定の精度がさらに向上し、電気計測の基準がより堅固なものになっています。
電気素量を使った計算の応用
続いては、電気素量を実際の計算に活用する方法を確認していきます。
電子のmol数と電気量の換算
電気化学では、電子のmol数と電気量の換算にアボガドロ定数NAと電気素量eを掛けた「ファラデー定数F」が使われます。
ファラデー定数の導出
F = NA × e
= 6.02214076×10²³ × 1.602176634×10⁻¹⁹
≈ 96485 C/mol
応用：0.5molの電子の電気量
Q = 0.5 × 96485 = 48242.5 C ≈ 4.82 × 10⁴ C
ファラデー定数はアボガドロ定数と電気素量の積として厳密に導出でき、電気化学・電池・電気分解の計算の基盤となっています。
電気素量とX線の光子エネルギーの関係
電気素量は電子ボルト（eV）という単位の定義にも使われています。
1eVは電子（電荷e）が1Vの電位差を通過するときに得るエネルギーであり、1eV＝e×1V＝1.602×10⁻¹⁹Jと定義されます。
原子・分子・素粒子のエネルギーを表すためにeVはSI単位系外の単位として広く使われており、X線光子や原子軌道のエネルギーの議論では必須の単位となっているでしょう。
まとめ
この記事では、電気素量の定義（e＝1.602×10⁻¹⁹C）、ミリカンの油滴実験による測定原理と歴史的意義、クーロンとの関係、ファラデー定数への応用について解説しました。
電気素量は自然界の電荷の最小単位であり、すべての荷電粒子の電荷はこの値の整数倍として表されます。
ミリカンの実験は電荷の量子化を実験的に証明した歴史的な業績であり、現代の精密測定ではeが定義値として固定されています。
ファラデー定数F＝NAe≈96485C/molは電気化学計算の要であり、電気素量の理解が電気化学全体の計算基盤を支えているといえるでしょう。
