電気素量

電気素量 （でんきそりょう、英: elementary charge）は、電気量の単位となる物理定数である。陽子あるいは陽電子1個の電荷に等しく、電子の電荷の符号を変えた量に等しい。素電荷（そでんか）、電荷素量とも呼ばれる。一般に記号 e で表される。

電気素量 elementary charge
記号	e
値	1.602176634×10^−19 C（正確に）
相対標準不確かさ	定義値
(テンプレートを表示)

原子核物理学や化学では粒子の電荷を表すために用いられる。現在ではクォークの発見により、電気素量の1/3を単位とする粒子も存在するが、クォークの閉じ込めにより単独で取り出すことはできず、電気素量が電気量の最小単位である。 素粒子物理学では、電磁相互作用のゲージ結合定数であり、相互作用の大きさを表す指標である。

値

電気素量の国際単位系（SI）による値は、正確に

${\displaystyle e=1.602~176~634\times 10^{-19}\ {\text{C}}}$ 

である^[1][2]。

2019年5月20日に発効した現行のSIにおいて、電気素量はSIを定義する定義定数の一つである^[1]。 現行のSIでは、定義定数の値を不確かさなく固定することによってSIを定義しているため、電気素量のSIによる値には不確かさがない。

「SI基本単位の再定義 (2019年)」も参照

SIとは異なる静電単位系、もしくはガウス単位系での値は

${\displaystyle e=4.803~204~673(30)\times 10^{-10}\ {\text{esu}}}$ 

である^[3]。 SIの場合と異なり、電気素量の静電単位系やガウス単位系による値は不確かさを伴う測定値である。

これらの単位系は国際量体系とは異なる量体系に基づいており、電磁気量が力学量から組み立てられる組立量であるため、これらの単位系では電気素量を電磁気量に係る定義定数として位置付けることはできない^{[注 1]}。 すなわち、電気素量はこの量体系において、微細構造定数 α と

${\displaystyle e={\sqrt {\hbar c\alpha }}}$ 

で関係付けられるため、電気素量の値は α と測定値と関係付けられる。

電気素量の計測実験

1897年 ジョン・タウンゼントの実験

電気分解によって生じる帯電した気体イオンの量と帯電量を測定し、電荷を算出した。

1898年 J.J. トムソンの実験

水蒸気をイオン化して、電流と水蒸気の質量から求めた。

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求めた。

1909年 ミリカンの油滴実験

油滴を使ったウィルソン実験を改良し、多くの誤差要因を排除した。当時の計測値は 1.592×10⁻¹⁹ クーロンだったとされる。

電磁気量の単位

歴史的に電磁気量の単位系は、何らかの幾何学的な配位において作用する電磁気的な力の大きさに基づいて力学量の単位系から組み立てられる、一貫性のある単位系として定義されており、電気素量との理論的な関係はない。

現行のSIにおいて電気素量は電磁気量の単位を定義する定義定数として位置付けられているが、これも歴史的な単位から換算係数が簡単になるように値が決められているだけで、電気素量が定数であるという以上に理論的な裏付けに基づくものではない。

なお、1mol の電子の電気量は電気分解の法則で知られるファラデー（記号: Fd）であり、電気素量にアボガドロ数 N_A mol をかけたものである。

Fd = (N_A mol) e =(6.02214076×10²³) × (1.602176634×10⁻¹⁹ C) = 96485.3321233100184 C（正確に）

量子電気力学における電気素量

量子電気力学においては、ある時空点で電子が光子を放出したり吸収したりする確率振幅（英語版）の大きさが電気素量に対応する。ファインマン・ダイアグラムを用いることでその事がより明らかになる。

脚注

[脚注の使い方]

出典

1. ^ ^{a b} The InternationalSystem of Units(SI), 2.2 Definition of the SI, Le Système international d'unités(SI), 2.2 Définition du SI
2. ^ 2018 CODATA
3. ^ 2018 Review of Particle Physics

注釈

1. ^ 光速度 c とプランク定数 h はSIと同様に定義定数として不確かさのない値をもつとする。

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)。 

外部リンク

BIPM

• “The International System of Units(SI)” (PDF) (英語). BIPM. 2019年7月13日閲覧。
• “Le Système international d'unités(SI)” (PDF) (仏語). BIPM. 2019年7月13日閲覧。
• “A concise summary of the International System of Units, SI” (PDF) (英語). BIPM. 2019年5月20日閲覧。

• “CODATA Value: elementary charge” (英語). NIST. 2019年5月31日閲覧。
• “2018 Review of Particle Physics” (PDF) (英語). Particle Data Group. 2019年7月13日閲覧。
• ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典『(電気素量)』 - コトバンク