日本科学教育学会研究会研究報告 Vol. 29 No. 5（2015） 身近な素材を用いた安価で簡易な霧箱 Simple and Inexpensive Cloud Chambers using Familiar Materials ○ 吉永恭平 大西和子 鎌田正裕 YOSHINAGA, Kyohei ONISHI, Kazuko KAMATA, Masahiro 東京学芸大学 Tokyo Gakugei University [要約] 本研究では，身近にある素材で手軽に準備できる霧箱を作製した。その際に，ドラ イアイスや液体窒素等の冷却材の代わりに，食塩水を凍らせたものを使って飛跡を観察でき るようにした。さらに，準備がより容易な冷却材として，市販されているアイスシャーベッ トをそのまま利用できないかについても検討した。 [キーワード] 霧箱，簡易型，氷，食塩，アイスシャーベット はじめに 平成 20 年の中学校学習指導要領改訂で， 理科第 １分野の内容（７）のアの「 （イ）エネルギー資源」 の取り扱いについて， 「放射線の性質と利用にも触 れること」との記述が加わった。また，平成 23 年 3 月の東京電力福島第１原子力発電所の事故以 来，放射線・放射能についての正しい理解が広く 一般に求められるようになってきた。 一方で学校現場での放射線に関する学習は，そ の取扱いの難しさから実体験をもとに理解を深め ることが十分にできていないという現状がある。 その中で「霧箱」の実験は，放射線の存在を視覚 的に示すことができ，観察者の興味関心をひき， さらに放射線の性質理解にもつながる有用な教材 の一つである。そこで学校現場で利用しやすい， 簡易かつ安価な霧箱の開発に取り組んだ。 １ ２.研究の目的・背景 現在学校現場において使用されている簡易霧箱 の多くは，霧箱内部に温度勾配を設けるために冷 却材として液体窒素やドライアイスを用いる。し かし，液体窒素やドライアイスは長期間の保存や 再利用ができないため，授業に合わせて調達する 必要があり，学校現場からは授業で実際に扱うこ とが難しいとの声がある。 東京学芸大学鎌田研究室では，霧箱の研究・開 発，改良を継続的に行っており，その先行研究の 中で，冷却用に「フローズンシート-18」という融 点が-18℃の保冷剤を用いた霧箱がある（Kamata, Kubota, 2012）。この霧箱では，フローズンシー ト-18 を２枚のアルミ板で挟み，コールドプレー トを作製し，これを霧箱の底面に使用した。霧箱 の構造と外観を図 1 に示す。 フローズンシート-18 は冷凍庫で凍結し，一定時間-18℃を保つが，液体 窒素やドライアイスと比べると高温である。そこ で霧箱上部のステンレス容器にお湯を入れること で，霧箱上部を加熱し，霧箱内に十分な温度勾配 を確保する仕組みである。 図 1 コールドプレートを使った霧箱の 外観(右上)と構造(左) フローズンシート-18 を使わず，塩と氷を霧箱 の冷却材とした研究がある（Yoshinaga, Kubota, 2015）。 ドライアイスや液体窒素の代わりに，砕いた氷 と食塩を混ぜ合わせることで，約-20℃を得ること が可能である。しかし，氷と食塩を混合した寒剤 は，混合の仕方によって温度にむらができること がある。この問題を解消するために，放熱フィン ― 17 ― 日本科学教育学会研究会研究報告 Vol. 29 No. 5（2015） を氷と食塩の寒剤に挿し込むことで，その温度の むらを最小限に抑え，効率的に霧箱底部を均一に 冷却することができる。これによってほとんど失 敗することなく，長時間飛跡を観察することが可 能となる。氷と食塩の寒剤と放熱フィンを用いた， 小型のコレクションボックス型霧箱の構造図と外 観を図 2 に示す。 線源にはトリウムが含まれているマントルを， その繊維が散らないよう，ガムテープに貼り 10mm ×5mm 程度に切り分け，割りピンで挟んで固定し たものを使用した。マントルからはβ線も放出さ れるが，観察は確認が容易なα線の飛跡を中心に 行った。飛跡を可視化するための液体にはエタノ ールを用い，作製時に上部のフェルトに 5ml 程度 しみ込ませた。 また，霧箱上部には，霧箱内部の温度勾配を大 きくし，エタノールの蒸発を速めるために，お湯 (70℃)を入れるためのプラカップを取り付けた。 その構造と外観を図 3 に示す。 プラカップ お湯 アルミテープ フェルト 黒画用紙 線源 アルミテープ 図 3 プラスチックコップの霧箱の構造（左） と外観（右） （2）氷と食塩の冷却材の作製 霧箱に使う冷却材は，食塩水を冷凍庫で凍結さ せたものを用いた。その外観を図 4 で示す。 図 2 氷と食塩を用いたコレクションボック ス型霧箱 本研究では，これらの霧箱を改良し，より手軽 に準備できるように，凍結させた食塩水を使って 飛跡を観察できる霧箱を開発した。また，冷却材 の準備をより容易にするために，市販されている アイスシャーベットを使用した霧箱についても試 作し，凍結食塩水の場合と比較した。 ３ 研究の方法 （1）霧箱本体の作製 図 1，図 2 に示した霧箱では小型のコレクショ ンボックスを観察部に使用したが，本霧箱ではこ の部分にプラスチッククコップを使用した。その 際，内部にアルコールで湿らせたフェルトや線源 を入れ，その後に底面を封じ，エタノールの補充 が不要な閉鎖型で作製した。 ― 18 ― 図 4 食塩水を凍らせた冷却材の外観（左） 霧箱をその上に乗せたもの（右） 日本科学教育学会研究会研究報告 Vol. 29 No. 5（2015） 冷却材として使用した食塩水を凍結させたもの は，NaCl の比率が 23％程度の時，寒剤の冷却性 能が最も高いとされている。今回は食塩濃度が 23%の食塩水 200mL を，PET ボトル容器の底部 をカットして作製した容器に入れて，凍らせたも のを使用した。 （3）アイスシャーベットの冷却材 冷却材をより容易に準備できるようにするた め，市販されているアイスシャーベットがそのま ま使えるかどうかについて検討した。 アイスシャーベットには「サクレ SACRE レモ ン」200ml（¥88）を使用した。使い方は，上で 述べた凍らせた食塩水の場合と同様で，シャーベ ットのカップのふたを開け，３． （1）で作製した 観察部をそのまま乗せて使用する。その様子を図 5 で示す。 図 6 冷却材の温度変化 ４．結果と考察 (1)凍結食塩水での放射線の飛跡の観察 霧箱本体を，冷凍庫から出したばかりの凍結食 塩水の上に直接置き，霧箱上部のプラカップに湯 (約 70℃)を 65ml 程度注ぐ。塩化ビニール製のパ イプで霧箱本体に静電気を与えながらしばらく待 つと，2 分程度で図 7 に示すような，α線の飛跡 が確認できた。 凍結食塩水は低温状態を長く保持できるため， お湯の温度を下げないよう適宜注ぎ足しすること で，20 分以上安定してα線の飛跡を観察すること ができた。 図 5 アイスシャーベットを用いた霧箱 （4）低温状態の比較 (2)と(3)の冷却材が冷凍庫(約-23℃)から出し て，室温(22℃)でどの程度低温を保持できるか， 霧箱を乗せる前の状態で温度の測定を行った。そ の結果を図 6 に示す。温度は，それぞれの冷却材 の中心部を測定し，計測には温度測定範囲が-60℃ ～+500℃の放射温度計(A＆D 社の放射温度計 AD-5611A)を使用した。 グラフから分かるように，食塩比率が 23％の冷 却材は 20 分以上-20℃前後の温度を保つことがで きた。また，アイスシャーベットでは，徐々に温 度上昇が見られるが，冷凍庫から出してすぐの温 度の低い状態であれば，霧箱の冷却材として使え る可能性が示唆された。 図 7 観察されたα線の飛跡(凍結食塩水) (2)アイスシャーベットでの放射線の飛跡の観察 冷凍庫から出したばかりのアイスシャーベット のふたを取り，4.(1)と同様にしてしばらく待つ と，2 分半程度で図 8 に示すような，α線の飛跡 が確認できた。 しかし，α線の飛跡が見えはじめから 10 分後に は，α線の飛跡が見えにくくなり，12 分後には飛 跡を観察することができなくなった。この時のア イスシャーベットと湯の温度をそれぞれ測定する と，アイスシャーベットでは-7.8℃，湯は 50.4℃ を示していた。 ― 19 ― 日本科学教育学会研究会研究報告 Vol. 29 No. 5（2015） 冷却材として凍結させた食塩水を用いると，霧 箱の冷却材の準備が容易となるだけでなく，冷却 材の大きさに合わせて，霧箱本体も様々な大き さ・形状で作製することが可能となる。また，線 源として温泉水由来のラドン（半減期 3.8 日）な どを容器内に封入することができれば，連続的に 観察することでα線の飛跡が徐々に減ってくるこ とを確かめられるので，半減期の学習に役立つも のと考えられる。 図 8 観察されたα線の飛跡 (アイスシャーベット) これらのことをまとめると， ・閉鎖型のプラスチックコップを利用した簡易型 霧箱でも，α線の飛跡を観察することができる。 ・凍結食塩水を使うことで 20 分以上安定してα線 の飛跡が観察できる。 ・アイスシャーベットでも同様にα線の飛跡を観 察することができるが，観察できる時間は 10 分程 度であった。 ５．おわりに 本研究により，身近な素材で霧箱を作製できる こと，また，市販されているアイスシャーベット を冷却材としてα線の飛跡が観察できることが分 かった。 今回利用した身近な素材としてプチクリアカッ プ（10 個\140） ，クリアグラス（8 個\114） ，アイ スシャーベット（1 個\88）であり，霧箱を 1 つ作 る材料に換算すると 116 円程度となる（アルミテ ープ，フェルト，線源（マントル）代を除く）。 引用及び参考文献 Kamata, M. and Kubota, M.: “Simple cloud chambers using gel ice packs”, Phys. Educ. 47, 429-433, 2012 Yoshinaga, K., Kubota, M. and Kamata, M.: “Simple cloud chambers using a freezing mixture of ice and cooking salt” ,Phys. Educ. 50, 23-27,2015 本研究の一部は，文部科学省国立大学改革強化推進 補助金「大学間連携による教員養成の高度化支援シ ステムの構築－教員養成ルネッサンス・HATO プロ ジェクト－」の助成を受けて行ったものです。 ― 20 ―
© Copyright 2024 ExpyDoc
