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2003.3.29 日本物理学会 学部四年生による科学館での 科学実験教室の開催 東工大 理学部 物理学科四年：稼農 広樹、中野 健一 物理学科 ：柴田 利明 目次 １．これまでの経緯と目的 ２．科学実験教室 ３．準備 ４．実施と結果 ５．まとめと展望 １．これまでの経緯と目的 多摩六都科学館で開催した科学実験教室 東工大柴田研究室と多摩六都科学館の共催 • 第1回 2002.2 「マイナス200℃の世界」 – 渡辺、田窪 東工大卒業論文 2002年3月の物理学会で報告 「大学の物理教育」誌で報告（2002-2号 p45～48） • 第2回 2002.6 「光の正体をさぐれ」 – 渡辺、田窪、稼農、中野 • 第3回 2002.11 「電気と磁石の不思議な関係」 – 稼農、中野、長谷川 • 第4回 2003.2 「宇宙線を観測しよう」 – 稼農、中野、長谷川 目的 ・物理を専門としない一般の人（子供 および大人）に物理の知識を伝える ・物理の魅力についても知ってもらう 学部四年生が主体となって 科学実験教室を企画して実施 ２．科学実験教室 概要 ・参加者と対話をしながら実験を行う ・多摩六都科学館の理科実験室で開催 時間：2時間 対象：小・中学生 人数：２４人（＋保護者） 多摩六都科学館 ・東京都西東京市にある ・小平市、東村山市、清瀬市、東久留米市、 西東京市の５市が共同で運営 ・計100点のさまざまな分野の常設展示、 各種体験教室の開催 ・年間利用者数は約10万人 内容 演 示 型 実 験 説 明 参 加 型 実 験 図：説明の様子 （A2のパネルを 使って説明） 説 明 (繰り返す) 放射線とは？ 配布するもの １．X線の発見 1895年、ドイツのレントゲンという人は 「真空管」という容器の中で気体を放電 させる実験をしているときに、真空管に つけた電極からふしぎな物が出ている ことに気が付きました。 それがどんなふうにふしぎだったのか というと… 真空管 • パンフレット 保護者向けにより詳しい 物理の説明（15ページ程度） • アンケート 参加者の理解と満足の 度合いを調べる（5段階） ２．レントゲンに続いて レントゲンがX線を発見してからわずか 三ヵ月後、今度はフランスのベクレルと いう人がX線によく似たものを発見しました。 ある日、ベクレルはたまたま写真乾板の上に、十字架の形をした ぶんちんとウランの化合物(ウランといくつかの物がくっついてでき ているもの)を置いて引き出しの中にしまっておきました。 後になってその写真を現像してみると、そこには十字架の影が 写っていたのです！ ・目にはまったく見えない ・写真乾板（昔にフィルムのかわりにつかっていたもの） に体のなかみ（骨や内臓）を写す レントゲンは、この真空管の電極から出ているものは、目には見えない 光線だと考え、これを「X線」と名づけました。 ～豆知識～ 怪我をしたときや、病気の検査の ときに病院でとってもらうレントゲン 写真は、その名前からわかるように 彼が発見したX線を使ったものです。 “体の中身を写す”という性質を使っ て、骨や内臓の写真をとっているの です。 ウランの化合物 これを見たベクレルは、これはウランからX線のような写真を写す 光線が出ているのだと考え、これをベクレル線と名づけました ～豆知識～ 「ベクレル」という言葉は、放射線の強さを表す単位として 使われています これまでに扱った物理の分野 • 低温 ：物質の相転移、低温での物性、熱伝導 • 光 ：幾何光学（光の屈折・反射、分光） • 電磁気 ：静磁気（磁石）、電磁誘導 • 放射線 ：放射線・宇宙線の観測 ３．準備 装置、パネルと パンフレットの準備 テーマの決定 リハーサル 実験内容の決定 実施 ４．実施と結果 第四回科学実験教室を例として報告 実施日：２００３年２月１６日 タイトル：『宇宙線を観測しよう』 時間：午後１時～３時（２時間） 参加者：小学２年生～中学１年生 保護者 計 ２１人 １１人 ３２人 目的 宇宙線・放射線についての物理の面白さと、 正しい知識を伝える 内容 ・導入・・・放電針の実験（10分） ・３つの実験 （１）不思議な箱（20分） （２）宇宙線を観測しよう（30分） （３）不思議な箱をつくろう（60分） ・まとめ 導入（放電針の実験） 目的 : 放射線の電離作用を確認する • 簡易化した放電箱とウラン鉱石を使って、 放射線の電離作用を確認する • ウラン鉱石と普通の石を比較し、ウラン鉱石 でのみ放電が起こることを確認する 図：放電の様子 原理 +HV ・二つの針を向かい合わせに固定し 高電圧をかける （電源はこちらで用意） 印加電圧： +3200～3500V 針の間隔： 2～5mm 針の間を放射線が通る 針 GND 電離した電子により電子なだれが 起こり、放電する 不思議な箱 目的 ： 放射線の飛跡を観察し、目でみることで放 射線を確認する • ウラン鉱石からでるα線を霧箱を使って 観察する 図：使用した霧箱 宇宙線を観測しよう 目的 : 宇宙線が放射線の一種であることを理解し た上で、宇宙線の性質を確認 • プラスチックシンチレータと光電子増倍管を 使って宇宙線を観測 • 宇宙線の数を数える • 鉄を透過することを確認 • 天頂角分布を簡単に確認 ・光電子増倍管からの出力をLEDにつなげ、宇宙線を 検出するとLEDが光るようにした ・二つの検出器からの信号についてコインシデンスを とり、二つの検出器を同時に宇宙線が通ったときのみ LEDが光るようにした 不思議な箱をつくろう 目的 : 霧箱の製作 • こちらで説明しながら、参加者は一人ずつ霧箱 を製作する • 完成したら、霧箱を使って放射線の観察を行う アンケートの結果 満足度 理解度 無記入 無記入 おもしろくない ふうう とても おもしろい わからない とても よくわかる ふうう おもしろい わかる ・とてもおもしろい ・おもしろい 82％ ・とてもよくわかった ・よくわかった 71％ 全体の満足度： 子供平均 90% ,大人平均 86% 全体 88% ５．まとめと展望 まとめ • 物理を専門としない一般の人にその内容と魅力を 伝えることを目的として、学部４年生が主体となっ て科学実験教室を実施した • 現在までに「低温」「光学」「電磁気」「宇宙線・放射 線」について計４回科学実験教室を行った 展望 • 来年度も３回科学実験教室を行うことを多摩六都 科学館側と合意している • 来年度からは「大学生とのふれあいサイエンス」と いうシリーズとして行うことになっている • 第四回の科学実験教室では参加申込者が多かっ たことから、次回は定員を３２名に増やす予定 使用する線源 ２種類用意： ・燐灰ウラン鉱 ・マントル 燐灰ウラン鉱 U 238 92 Th 234 90 （半減期 4.51109 年 ） 演示実験用 各参加者の観察用 マントル ランタン (右図) ランタン(携帯用の灯り)の 発光体に使うもの 微量のトリウムが含まれ、 主にトリウム系列のラドンから出る α線が観察できる Rn 220 86 Po 216 84 Pb 212 82 半減期 54.5秒(Rn), 0.158秒(Po) Th系列 ・加工したマントル マントルの一部をちぎって針の先につけ、その針を ゴム足に刺してある。これを霧箱の側面につけて使う 観察される飛程 α線の飛程はエネルギーが4～7MeVの範囲では 次の実験式で表される R 0.318E [cm] 3/ 2 今回用いた線源についてこの式から飛程を計算すると (4.182MeV) U 234 90Th 2.7cm Po (6.282MeV) 216 212 Po (6.774MeV) 84 82Pb 5.0cm 238 92 Rn 220 86 216 84 5.6cm 天頂角分布と面積あたりの計数について ・宇宙線の天頂角分布 J ( ) J0 cosn 硬成分: n 2, J 0 0.82102 / cm2 s sr 軟成分 : n 3, J 0 0.31102 / cm2 s sr 約10ｃｍの鉛を透過する高エネルギー成分を硬成分、 透過せずに止まる低エネルギー成分を軟成分と分類 ・面積Scm2の検出器での計数 I S J ( ) cosd /2 2S J 0 cosn1 sin d 0 2J 0 S n2 S=1として硬成分と軟成分を 加えると、 I=1.3/min 実際の検出器の面積S=152を 代入すると、I=197/min, 秒当り では、I=3.29/sec と計算される ・コインシデンスをとった場合の計数 検出器１つを使った場合に比べ、立体角が制限されるので 計数は少なくなる ・検出器が円形と仮定 ・検出器の半径を a ,検出器の間隔を b とする m ax S J ( ) cosd I 0 a =7cm, 2SJ0 1 cosn2 max n2 但し、 max arctan b a b =10cmとして計算すると、 硬成分・軟成分あわせて：76/min 硬成分のみ：58/min 実際の値、 40～50/min に近い値に 宇宙線の天頂角分布は、天頂角θにより宇宙線が通る大気 の厚さが変わるためと考えられる 宇宙線の通る大気の厚さ： l 地球の半径： a 40km 大気の厚さ： b 6500km a2 l 2 2al cos (a b)2 l 2 2al cos 2ab b2 0 l a cos (a b)2 a2 sin 2 0 ： ： 2 l は最も短くなり、40km l は最も長くなり、約700km b a 宇宙線 一次宇宙線･･･p, N(～Fe), e, γ 二次宇宙線･･･μ, π, p , n, e ・二次宇宙線の成分 硬成分･･･μ (>0.22GeV), π (>0.4GeV), p (>3GeV), n (>0.3GeV) 軟成分･･･e, μ (<0.22GeV), p(<3GeV) 地上近くで核反応が起こったときにn, p,πが 降ってくる 成分のほとんどはμ