ロバート・ミリカン【油滴重量から電気素量を導いた米国の実験家】

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【1868年3月22日 ~ 1953年12月19日】

ロバート・A・ミリカン（1868–1953_写真は1891のもの）
光電効果と油滴実験で知られるアメリカの実験物理学者
出典：Wikimedia Commons（Public Domain）

ミリカンは非常に優れたアメリカの実験家でした。

コロンビア大学で物理学の博士号をとりますが、ミリカンが

同大学での初めての物理博士習得者だったそうです。

光の二重性が議論されていた当時、ミリカン自身は必ずしも
「光量子仮説に積極的」だったわけではありません。むしろ、
アインシュタインの光電効果の理論に対しては
強い懐疑を抱いていました。

しかし、実験家として徹底的に検証を重ねた結果、光電効果の
振る舞いは粒子性を前提としなければ説明できないことを、
ミリカン自身の精密実験が示すことになります。
彼は自らが慎重であった仮説を、実験によって
支持せざるを得なかったのです。

ミリカンは長年にわたり光電効果を精密に測定し、
入射する光の振動数と飛び出す電子の運動エネルギーとの関係を
詳しく調べました。その結果はアインシュタインの
光量子仮説と驚くほど一致しており、自ら懐疑的であった
理論を実験によって裏付ける結果となりました。さらに、
この測定からプランク定数を極めて高い精度で決定し、
量子論の発展に決定的な貢献を果たしたのです。

また、そうした実験と光の波長からプランク定数を定めました。

思えば、2022年のノーベル賞も実験家に贈られています。時代・時代で
現実世界との対応を確かめていくのが実験家です。同時に、実験家が
事実を示すことで理論が進みます。プランク定数は今や多くの論文の中で
当たり前に使われている定数です。

光電効果とは何か

光電効果とは、金属に一定以上の振動数を持つ光を照射すると、
表面から電子が飛び出す現象のことです。1887年にハインリヒ・ヘルツが
実験中に偶然発見し、その後フィリップ・レーナルトらによって
詳しい研究が進められました。しかし、当時の古典的な波動論では、
光が強ければ電子は飛び出すはずであり、逆に弱い光では
飛び出さないはずだと考えられていました。ところが実際には、
光の強さではなく「振動数（周波数）」が一定以上でなければ、
どれほど長時間照射しても電子は飛び出さないことが分かったのです。

1905年、アインシュタインは光がエネルギーを持つ粒子
（光量子、現在の光子）として振る舞うと考えることで、
この現象を見事に説明しました。光子一つが電子一つへ
エネルギーを与えることで電子が飛び出すという考え方は、
当時としては非常に大胆な仮説でした。しかし、
理論だけでは科学として十分とは言えません。
その後、ロバート・ミリカンは十年以上にわたり光電効果を
極めて高い精度で測定し、放出される電子の運動エネルギーが
アインシュタインの理論と一致することを実験によって示しました。

皮肉なことに、ミリカン自身は当初、光量子仮説に懐疑的でした。
しかし、科学者として実験結果を最優先した彼は、
自らの精密測定によって理論を支持せざるを得ないという結論に至ります。
さらに、この研究からプランク定数も高い精度で求められ、
量子論は理論だけでなく実験的にも確かな基盤を得ました。
光電効果は、光が「波」と「粒子」の両方の性質を持つことを理解する
重要な第一歩となり、その後の量子力学の発展へとつながっていったのです。

電気素量を導き出した実験

金属板の間を落下する液体の運動を考え、ミリカンらは

重力効果に対してクーロン力の兼ね合いを計算に取込み、

厳密に計測値が求まる油滴重量から電気素量を導きます。

ミリカンは極めて小さな油滴を電場の中に浮かせ、
重力と電気力がつり合う条件を精密に測定しました。
すると、どの油滴が持つ電荷もある一定の最小単位の
整数倍になっていることが分かります。この最小単位こそ
電子1個が持つ電気量、すなわち電気素量でした。

この油滴の実験の素晴らしい所は量子化する事で電子の

粒子性を示した点です。電流が計測されるイメージを考え

てみた時に、その担い手の電子が連続量なのか粒子のように

考えられるか、当時は不確かだったのです。

ミリカンの実験結果では粒子性が示されました。

この２つの業績でミリカンはノーベル賞を受けました。

ミリカンは非常に優れた教育者

多くの教科書を世に送り、その中で少し先んじた

概念をミリカンは紹介しています。更にミリカンは

カリフォルニア工科大学の創設に大きく関わりました。

今でも同大学に彼の名を冠した建物があるそうです。

【そもそも米国の通例で、1号館と言う代わりに
ミリカン・ホールという名をつけたりします】

（対応英訳）

Millican was a very good American experimenter.

He holds a PhD in physics from Columbia University, and Millican was the first PhD in physics at Columbia University.

He develops a theory that puts wave nature in the foreground at the stage of demonstrating that light has particle nature and wave nature. However, it seems that Millican himself repeatedly asked himself that the experiment that assumed particle nature as an experimental fact produced very consistent results.

As a result, Millican also experimentally supports the photoelectric effect discussed by Einstein. We also determined Planck’s constant from such experiments and the wavelength of light. In addition, the experiment that derived the elementary charge is also wonderful. Considering the movement of the liquid falling between the metal plates, Millican et al. Incorporated the balance of Coulomb force against the gravitational effect into the calculation.

The elementary charge is derived from the weight of the oil droplet

, for which the measured value can be obtained exactly. The great thing about this oil drop experiment is that it shows the particle nature of electrons by quantization. When I thought about the image of measuring the electric current, it was uncertain at that time whether the electrons of the bearer were considered to be continuous quantities or particles. Millican received the Nobel Prize for these two achievements.

Millican has also sent many textbooks to the world as a very good educator, introducing concepts that are a little ahead of the game. In addition, Millican was heavily involved in the founding of the California Institute of Technology. It seems that there is still a building bearing his name at the university.

[In the first place, it is customary in the United States to call it Millican Hall instead of Building No. 1.]

〆

ロバート・ミリカン
【油滴重量から電気素量を導いた米国の実験家】