素粒子物理と放射線教育
物理学の発展の歴史をたどる
身の回りの放射線について考える
2015/2/18
専門講座体験 高嶋隆一
1
基本粒子の発見への道
 ガリレオ・ニュートンによる科学革命
 電磁気学の展開
 原子の世界へ
2015/2/18
専門講座体験 高嶋隆一
2
放射線教育
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身近な放射線の観察
原子核の崩壊と寿命
粒子と物質の相互作用のシミュレーション
おまけ:アトラス実験のイベントディスプレイで
ヒッグスイベントを見る
2015/2/18
専門講座体験 高嶋隆一
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ガリレオ・ニュートンによる科学革命
 観測と実験による検証はガリレオがはじめた
1610年の
「星界の報告」
落体の法則
落体の間隔は奇数倍の法則
地動説
慣性の法則で感覚とのズレを説明
2000 km/hの自転運動と30km/sの公転運動
2015/2/18
Tito Lessi - Galileo and Viviani
専門講座体験 高嶋隆一
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太陽までの距離の測定と光速度
 1672年にカッシーニが測定
 1675年レーマーの論文に「10分の遅れ」
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専門講座体験 高嶋隆一
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地上と天上の法則はひとつ:ニュートン
万有引力の法則(プリンキピアは1687年刊行)
ギリシャの昔から地球の半径は既知。
月までの距離は地球半径の60倍。(アリスタルコス)
太陽との距離も測ろうとしたが精度はなかった。
地球一周4万キロ(当時は別単位)(エラトステネス)
アレキサンドリアの破壊、科学の発展は中世停滞
月は地球に向かって毎秒1.2ミリ落ちる
月は27日で地球の周りを一周する。
周りを回るのは落ち続けること。
ニュートンの夢:水銀を金に変える
2015/2/18
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万有引力定数の測定
 1798年にキャベンディッシュが測定値を刊行
 重力加速度から地球の質量も求まる
 円運動の加速度の計算から中心質量がもとま
る->太陽、銀河の質量が求まる
 銀河までの距離がわかると宇宙の物質密度
が求まるか?
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電磁気学の展開
 デンマークのエールステッドが偶然に
1745年、クライスト、ミュッセンバーグによる
ライデンびんの発明
1780年にガルバーニによる生物電気発見
1799年にボルタが電池を発明
1820年講義中に電流の磁気作用偶然発見
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電磁誘導の発見は1831年ファラデー
2015/2/18
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熱力学の発展
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熱は元素と思われていた
ジュールの発見:熱は仕事と等価である
熱の仕事当量は4.19J/カロリー
仕事の単位はジュール:mgh
PV=nRTのRはモル比熱と関係する
熱はf/2かけるRTで、fは自由度
2015/2/18
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10
電子と原子核の発見
電子の発見1897年
1895年にX線が
発見された
1896年にはベク
レルによりウラン化
合物から放射能を
発見
1899年には透過力
でα線、β線が区別
ついでγ線も識別
1909年、ミリカンが
素電荷を測定
2015/2/18
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原子の世界へ
 結晶を見たり、水素の電気分解などで原子を推測
 1900年にプランクがボルツマン定数とプランク定数
を計算、光の比熱理論
 熱力学の知識と原子論から原子の世界が明らかに
なる R=8.3J/(K・mol)、
 エベレストの気圧で確認して微粒子で実験
 原子の世界は電子ボルトで記述すると実験には都
合が良い(これは最近のこと、単位をMKSAにした)
 水素原子では電子が13.6電子ボルトで結合してい
る。電子の質量は511keV
 結合定数は1/137, 変換定数は197eV・nm
 原子の大きさは電子質量と結合定数の積の逆数
 モーズレーの法則の研究で特性X線のエネルギーも
簡単な原子論から説明できるようになった
2015/2/18
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原子核反応の研究始まる
マリーキュリーと
ピエールキュリーによる
ラジウムの発見(1898年)
1911年、ラザフォードによる有核模型
1932年に、中性子発見、コッククロフト・
ウォルトン加速器による原子核破壊実験
1934年、フェルミの中性子による元素の
人工転換
1935年、湯川による中間子論発表
1938年、ハーン・シュトラスマンによる
核分裂反応の発見
1942年、シカゴパイル1稼動
2015/2/18
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特殊相対性と一般相対性の発見
絶対静止空間というのはない
光速度不変の原理
地球が光の速さの半分で走っても
光は同じ速さで四方に伝わる。
質量はエネルギーに転換する
粒子の質量は座標系によらない
宇宙の中心はどこか分からない
重力場のなかを落下している人は平坦な
空間の中にいる
外から見た人は光が曲がっているように見える
重力レンズ:アベル2218、スマイル星雲
2015/2/18
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身近な放射線の観察
 ランタンの芯にトリウム
 ふちの高い発泡スチロールにドラ
イアイスを乗せる
 ドライアイスに密着させてタッパー
をのせる
 タッパーの底に黒い紙を敷く
 アルコールをタッパーにいれ、サ
ランラップでふたをする
 シリンジにラドンをためて注入す
る
2015/2/18
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原子核の崩壊と寿命
 アルファ崩壊ではTh140億年、238U45億年
、235U7億年、トリウム系列のRnは1分
 ベータ崩壊では通常10分程度、しかし禁止遷
移というのがあって、厄介なのがCsとSr
 核分裂生成物は数日で無害になる
 禁止遷移とはどういうものか。蛍光、蓄光物質
で推測する
 励起原子の光放出の寿命はnsec程度。蛍光、蓄
光物質では数時間になることもある
2015/2/18
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粒子と物質の相互作用のシミュレーション
左上のiconをクリックしてtanmatsu
とタイプして端末を起動する。
端末ではtabキーが推測してくれる
粒子の相互作用をON/OFFしてみる




cd g4py
source setupG4py.sh
cd examples/education/lesson2
python ExN03.py
光子
 光電効果:phot、コンプトン散乱:compt、対生成:conv
電子、陽電子
 多重散乱、:msc、イオン化:eIoni、制動輻射:eBrem、対消滅
:anihil
ミューオン
 多重散乱、:msc、イオン化:muIoni、制動輻射:muBrem
陽子
 多重散乱、:msc、イオン化:hIoni
多重散乱は物質の核子よるもの。イオン化は物質の電子を跳ね飛ばすもの
2015/2/18
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ATLASのイベントディスプレイのatlantisを使う
端末で、まずトップディレクトリに戻って、設定ファイルなどがあるディ
レクトリに移動。その後アーカイブファイルを指定してJavaを起動
cd
cd AtlantisJava-09-16-03-10
java –jar atlantis.jar
File MenuからRead Event Locallyを選択、2011HiggsJiveXMLを選択
最初のイベントを開く
衝突点のようすはr-ZプロジェクションとZoom/Move/Rotateが選択された
状態でマウスドラッグする
電子やミューオンはハドロンカロリメータの外側にある。指マークが選択された
状態でクリックすると数値が右下に表示される
2015/2/18
専門講座体験 高嶋隆一
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ダウンロード

プレゼン材料