電子の質量はどのくらい？

電子は物理学において最も基本的な粒子の一つであり、その質量や電荷は科学技術や自然界の基本法則を理解する上で重要な役割を果たしている。本記事では、電子の質量およびその比電荷に関する歴史的背景、測定方法、科学的意義について詳しく解説する。

電子の質量：9.109390 × 10⁻³¹ kg

電子の質量は極めて小さい値であり、科学者たちはその正確な測定を達成するために長年にわたり精密な実験技術を追求してきた。現在、電子の質量は以下のように定義されている：

9.109390 × 10⁻³¹ kg

この数値は、30桁のゼロが小数点の後に続く極めて小さな値である。この精度の高い値を得るためには、高度な実験装置と細心の注意が必要であった。2014年のNature誌には、電子の質量をさらに精密に測定するために「ペンニングトラップ」と呼ばれる手法が報告されている。この手法では、電磁場を利用して電子の軌道を制御し、その質量を正確に決定した。

電子の質量は、原子質量単位において約0.000548579909067 u（原子質量単位）であり、現代物理学の基礎を支える重要な定数の一つである。

比電荷 e/m 中の素電荷 e の発見

比電荷測定の歴史的背景

電子の質量が正確に求められる以前、電子の比電荷（電荷 e と質量 m の比）が先に測定されていた。これを最初に発見したのは、イギリスの物理学者J.J.トムソンである。1897年、トムソンは陰極線の偏向実験を通じて電子の存在を初めて確認し、電子の比電荷を次のように求めた：

e/m=1.7588196×1011 C/kg

この値は、電子が持つ電荷の大きさとその質量の小ささを示している。この比電荷の発見は、電子の基本的性質の解明における大きな一歩となった。

ミリカン油滴実験

1909年、アメリカの物理学者ロバート・ミリカンは、電子の電荷を正確に測定することを目的として油滴実験を行った。

当時、電子が離散的な電荷を持つ粒子であることは既に知られていたが、その電荷の正確な値を求めることは技術的に困難であった。ミリカンは、この課題を克服するために独自の装置を開発し、非常に精密な測定を実現した。

実験装置の構造と仕組み

基本構造

実験装置は、次のような要素で構成されている：

  • 油滴を生成する噴霧器：微小な油滴を空中に噴霧する装置。
  • 観察空間：ピンホールで照らされる空間。ここで油滴が観察される。
  • 電場発生装置：上下2枚の平行金属板に電圧を印加し、電場を形成する。
  • X線源：空間内の油滴に電荷を与えるために使用。

原理

油滴は、噴霧器から放出された後、空気中を落下する。このとき、重力により下向きの力が、粘性抵抗（ストークスの法則に従う）によって上向きの力が働く。油滴の速度が一定になる瞬間に、これらの力が釣り合う。この状態で油滴の半径を計算し、質量を求めることができる。

さらに、X線を照射することで油滴が帯電し、電場を印加することで油滴に上下の力（電場による力）が働く。電場の強度を調整し、油滴が静止する瞬間を観察することで、電場と電荷の関係を記録する。これにより、電子1個あたりの電荷を求めることが可能になる。

実験データの解析

必要な物理法則

実験では以下の基本的な物理法則を用いる：

  1. ストークスの法則
    粘性抵抗：Fr=6πrηv
    （rは油滴の半径、ηは空気の粘性係数、vは速度）
  2. 重力の力
    重力：Fg=mg
  3. 電場の力
    電場の力：Fe=qE
    （qは油滴の電荷、Eは電場の強さ）

電荷の計算

電場を調整し、油滴が静止する場合の力の釣り合いを考えると以下の式が得られる： qE=mg この式を変形することで、電子の電荷 q を求めることができる。

実験を繰り返すことで、電子の電荷が常に整数倍の値をとることを確認し、電子が持つ基本電荷（e）は 1.6×10−19 C であることが判明した。

ミリカンの油滴実験による電荷

このように、「油滴実験」によって電子の電荷を直接測定することに成功した。この実験では、微小な油滴に電場をかけ、油滴が電場内で静止する条件を利用して電子の電荷を計算した。その結果、電子の電荷は次のように求められた：

e=1.602176634×10−19 C

この値をトムソンの比電荷の値と組み合わせることで、電子の質量も求めることが可能になった。この業績により、ミリカンは1923年にノーベル物理学賞を受賞した。

ミリカンの不正疑惑

不正の疑い

ミリカンの実験には、データ選別の問題が指摘されている。彼の研究ノートを再検討した結果、彼が不都合な観測結果を排除していた可能性が明らかになった。具体的には、観測結果のうち理論と一致しないものを無視した可能性がある。

この疑惑により、ミリカンの油滴実験は「科学的不正の典型的事例」としてしばしば取り上げられる。一部の科学者たちは、彼が自らの仮説に有利なデータのみを報告したのではないかと考えている。

再評価と結論

しかしながら、現代の再分析によれば、選別されたデータが結果に大きな影響を与えることはなかったとされている。仮に彼が不利なデータを無視したとしても、電子の電気素量の正確な値の決定にはほとんど影響がなかった。

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