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一般的な記号	${\displaystyle e}$
SI単位	クーロン
寸法	${\displaystyle {\mathsf {TI}}}$
価値	1.602 176 634 × 10 −19  C ‍ [ 1]

素電荷は通常eで表され、基本的な物理定数であり、単一の陽子が運ぶ電荷 、または同等に、電荷-1  eを持つ単一の電子が運ぶ負の電荷の大きさとして定義されます。^{[2] [a]}

SI単位系では、素電荷の値は次のように定義されます=${\displaystyle e}$1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ クーロン、または160.2176634ゼプトクーロン（zC）。 ^[3] 2019年のSI改訂 以降、7つのSI基本単位は7つの基本的な物理定数に基づいて定義され、そのうちの1つが素電荷です。

センチメートル・グラム・秒単位系（CGS）では、対応する量は4.803 2047 ... × 10 ⁻¹⁰ スタットクーロン. ^[b]

ロバート・A・ミリカンとハーヴェイ・フレッチャーによる油滴実験は、 1909年に初めて素電荷の大きさを直接測定しましたが、これは現在受け入れられている値との差はわずか0.6%でした。^{[4] [5]} 当時議論の的となっていた原子論の仮定の下では、素電荷は1901年にマックス・プランクによって黒体スペクトルから約3%の精度で間接的に推定されていました^[6]また、ヨハン・ロシュミットによる1865年のアボガドロ数の測定では（ファラデー定数を通じて）桁違いの精度で推定されていました。

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単位系	原子単位
単位	電荷
シンボル	e
コンバージョン
1  e で ...	...は...に等しい
クーロン	1.602 176 634 × 10 −19 ‍ [ 1]
${\displaystyle {\sqrt {\varepsilon _{0}\hbar c}}}$ (自然単位)	0.30282212088
統計C	≘ 4.803 204 25 (10) × 10 −10

原子単位系などの一部の自然単位系では、e は電荷の単位として機能します。素電荷を単位として使用することは、 1874年にジョージ・ジョンストン・ストーニーによって、ストーニー単位と呼ばれる最初の自然単位系で推進されました。^{[7]その後、彼はこの単位に}電子という名前を提案しました。当時は、現在電子と呼んでいる粒子はまだ発見されておらず、粒子である電子と電荷の単位である電子の違いはまだあいまいでした。その後、粒子に電子という名前が割り当てられ、電荷の単位であるeはその名前を失いました。ただし、エネルギーの単位である電子ボルト(eV) は、素電荷がかつて電子と呼ばれていたという事実の名残です。

他の自然単位系では、電荷の単位は次のよう に定義されます。 ここで、αは微細構造定数、cは光速、ε ₀は電気定数、ħは換算プランク定数です。 ${\displaystyle {\sqrt {\varepsilon _{0}\hbar c}},}$$${\displaystyle e={\sqrt {4\pi \alpha }}{\sqrt {\varepsilon _{0}\hbar c}}\approx 0.30282212088{\sqrt {\varepsilon _{0}\hbar c}},}$$

電荷量子化とは、あらゆる物体の電荷は素電荷の整数倍であるという原理である。したがって、物体の電荷は正確に 0  e、または正確に 1  e、 -1  e、 2  eなどになることができるが、 1/2⁠  e、または −3.8  eなど。(「オブジェクト」の定義方法に応じて、このステートメントには例外がある場合があります。以下を参照してください。)

これが「基本電荷」という用語の由来です。これは、分割できない電荷の単位であることを意味します。

素電荷の不可分性には、クォークと準粒子という 2 種類の例外が知られています。

• 1960年代に初めて提唱されたクォークは電荷を量子化しますが、その電荷は⁠の倍数に量子化されます。1/3⁠  e です。しかし、クォークは孤立して存在することはできず、集団でのみ存在し、安定したクォークの集団（3 つのクォークからなる陽子など）はすべてeの整数倍の電荷を持ちます。このため、1  eまたは⁠1/3⁠ e は、文脈に応じて「電荷の量子」と見なすことができます。この電荷の通約可能性、「電荷の量子化」は、大統一理論の動機の一部となっています。
• 準粒子は粒子そのものではなく、複雑な物質系の中で粒子のように振る舞う出現物です。1982年、ロバート・ラフリンは分数電荷を持つ準粒子の存在を仮定して分数量子ホール効果を説明しました。この理論は現在広く受け入れられていますが、準粒子は素粒子ではないため、電荷量子化の原理に違反しているとは考えられていません。

クォークを含む既知の素粒子はすべて、の整数倍の電荷を持っています。1/3⁠  e . したがって、「電荷の量子」は⁠1/3⁠  e . この場合、「素電荷」は「電荷量子」の 3 倍の大きさであると言えます。

一方、分離可能な粒子はすべてeの整数倍の電荷を持ちます。(クォークは分離できません。クォークは、総電荷がeの整数倍である陽子のような集団状態でのみ存在します。) したがって、「電荷の量子」はeですが、クォークは含まれません。この場合、「素電荷」は「電荷の量子」と同義になります。

実際、両方の用語が使用されています。^[8]このため、「電荷量」や「電荷の分割不可能な単位」などのフレーズは、さらに詳細に指定されない限り、曖昧になる可能性があります。一方、「素電荷」という用語は明確です。これは、陽子の電荷量に等しい電荷量を指します。

ポール・ディラックは1931年に、磁気単極子が存在するならば電荷は量子化されるはずだと主張したが、磁気単極子が実際に存在するかどうかは不明である。^{[9] [10]}孤立粒子が整数電荷に制限される理由は現在のところ不明であるが、弦理論の大部分は分数電荷を許容しているように見える。^{[11] [12]}

素電荷は、2019 年 5 月 20 日以降、国際単位系によって正確に定義されています。この変更以前は、素電荷は測定された量であり、その大きさは実験的に決定されていました。このセクションでは、これらの過去の実験測定をまとめます。

アボガドロ定数 N _Aとファラデー定数 Fがそれぞれ分かっている場合、基本電荷の値は式を使用して推測できます (言い換えると、1モルの電子の電荷を 1 モルの電子の数で割ると、1 つの電子の電荷に等しくなります)。 $${\displaystyle e={\frac {F}{N_{\text{A}}}}.}}$$

この方法は、現在最も正確な値を測定する方法ではありません。しかし、これは正当かつ非常に正確な方法であり、実験方法については以下で説明します。

アボガドロ定数N _Aの値は、1865 年にヨハン・ヨーゼフ・ロシュミットによって初めて近似されました。彼は、一定体積のガスに含まれる粒子の数を計算するのと同等の方法で、空気中の分子の平均直径を推定しました。 ^{[13]今日では、} N _Aの値は、極めて純粋な結晶 (多くの場合はシリコン) を取り、 X 線回折法などの方法を使用して原子間の距離を測定し、結晶の密度を正確に測定することで、非常に高い精度で測定できます。この情報から、単一原子の質量 ( m ) を推定できます。また、モル質量( M ) がわかっているため、モルあたりの原子数を計算できます。N _A = M / m。

Fの値は、ファラデーの電気分解の法則を使用して直接測定できます。ファラデーの電気分解の法則は、マイケル・ファラデーが1834 年に発表した電気化学研究に基づく定量的な関係です^。[14]電気分解の実験では、陽極から陰極へのワイヤを通過する電子と、陽極または陰極に付着または付着するイオンとの間に 1 対 1 の対応があります。陽極または陰極の質量変化とワイヤを通過する総電荷 (電流の時間積分として測定可能) を測定し、イオンのモル質量も考慮すると、F を推定できます。^[1]

この方法の精度の限界はFの測定にあります。最良の実験値は1.6 ppmの相対不確かさを持ち、これは他の現代的な素電荷の測定または計算方法よりも約30倍高いです。^[15]

e を測定する有名な方法は、ミリカンの油滴実験です。電界内の小さな油滴は、重力、粘性（空気中を移動する力）、電気力のバランスのとれた速度で動きます。重力と粘性による力は、油滴のサイズと速度に基づいて計算できるため、電気力を推定できます。電気力は、電荷と既知の電界の積であるため、油滴の電荷を正確に計算できます。さまざまな油滴の電荷を測定すると、電荷はすべて、単一の小さな電荷、つまりeの整数倍であることがわかります。

均一な大きさの小さなプラスチック球を使用することで、油滴の大きさを測定する必要がなくなります。また、電場の強さを調整して球が静止した状態を保つことで、粘性による力を排除できます。

電流にはさまざまなノイズが伴いますが、その 1 つがショット ノイズです。ショットノイズが発生するのは、電流が滑らかな連続的な流れではないためです。電流は、一度に 1 個ずつ通過する離散的な電子で構成されています。電流のノイズを注意深く分析することで、電子の電荷を計算できます。この方法は、ウォルター H. ショットキーによって初めて提案されたもので、 eの値を数パーセントの精度で決定できます。^{[16]ただし、この方法は、}分数量子ホール効果に関係するラフリン 準粒子の最初の直接観測に使用されました。^[17]

素電荷を正確に測定する別の方法は、量子力学における 2 つの効果の測定から推定することです。ジョセフソン効果は、特定の超伝導構造で発生する電圧振動です。量子ホール効果は、低温、強い磁場、2 次元への閉じ込めにおける電子の量子効果です。ジョセフソン定数は、 hがプランク定数で ある式です。ジョセフソン効果を使用して直接測定できます。 $${\displaystyle K_{\text{J}}={\frac {2e}{h}},}$$

フォン・クリッツィング定数は、 量子ホール効果 を使用して直接測定できます。 $${\displaystyle R_{\text{K}}={\frac {h}{e^{2}}}.}$$

これら 2 つの定数から、素電荷を推測できます。 $${\displaystyle e={\frac {2}{R_{\text{K}}K_{\text{J}}}}.}}$$

CODATAが素電荷を決定するために 使用した関係式は次のとおりです。 ここで、hはプランク定数、αは微細構造定数、μ ₀は磁気定数、ε ₀は電気定数、c は光速です。現在、この式はε ₀と αの関係を反映しており、その他はすべて固定値です。したがって、両方の相対標準不確かさは同じになります。 $${\displaystyle e^{2}={\frac {2h\alpha }{\mu _{0}c}}=2h\alpha \varepsilon _{0}c,}$$

• 国際科学会議データ委員会

• 物理学の基礎、第 7 版、ハリデー、ロバート レズニック、ジェール ウォーカー。ワイリー、2005 年