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
238
92
U
T h
234
90
(半減期 4.51109 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
220
86
Rn 
216
84
Po  
212
82
Pb  
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
238
92
U  23490Th  
(4.182MeV)
2.7cm
Po   (6.282MeV)
216
212
(6.774MeV)
84 Po  82 Pb  
5.0cm
220
86
Rn 
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 ( )  J 0 cosn 
硬成分 : n  2, J 0  0.82102 / cm2  s  sr
軟成分 : n  3, J 0  0.31102 / 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 ( ) cosd
 2S
 /2
n 1
J
cos
 sin d
0

0
2J 0

S
n2
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
S
 max
 J ( ) cosd
I
0
2SJ0

1  cosn 2  max
n2

a =7cm,

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  40 km
大気の厚さ: b  6500 km
a 2  l 2  2al cos  (a  b) 2
l 2  2al cos  2ab  b 2  0
 l  a cos  (a  b) 2  a 2 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
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