教育用GM管開発を振り返って（１５）

高校理科実験での講義の考え方

高校生ともなれば、これまでに初歩的な放射線教育は受けたことがあると思われる。実験内容の距離、遮へい、半減期、統計的変動についてはそれぞれ各論として講義をするが、総論が必要と考えた。さらに、放射線を入り口として、量子論や相対論といった物理学への関心を持たせたい、あるいは、さらに高度な世界があることを高校生には提示して、今後の成長に役立ててほしいと思い、以下のような講義メモを作成した。やや、普通の高校生には難しいかもしれないが、トップレベルの高校生には魅力的と感じる内容になっている。ありふれた項目だが、具体的なイメージが掴みやすいように工夫してある。何かの参考になれば幸いである。

「GM管と放射線について」の講義メモ

放射線を粒子性とエネルギーの両面から見ることを意識している。

１．『放射線』の『見える化』

• 『放射線』は、五感に感じられない（見えない、聞こえない、触れない、臭わない、味もない）　⇒存在を認識できない
• 感覚で捉えられるようにする＝可視化（見える化）
• 『放射線』が見える⇒例：『霧箱』
• 『放射線』が聞こえる⇒例：『ＧＭ管』

注．可視化ツールの必要性。霧箱を知っている場合に、GM管との違いを説明。

２．『ＧＭ管』で『音』が出るしくみ

• 放射線が空気を電離→電気の引力で集電→電流を電圧に変換→電圧を音に変換

• 音（パルス）1回　＝　放射線1個

注．単純化したモデルで音になる仕組みを説明。電子なだれには触れていない。

３．『放射線』とは？

• 法律では

　『電磁波』または『粒子線』のうち、直接または間接に『空気を電離する能力』を持つもの

• 『電磁波』＝Ｘ線、γ線、宇宙線（光子）
• 『粒子線』＝α線（ヘリウムの原子核）、β線（電子）、中性子、宇宙線（素粒子、原子核）など
• 『空気を電離する能力』＝概ね34eV以上のエネルギー

注．放射線教育の難しいのは、「放射線とは？」に単純明快な答えがないこと。批判を恐れずに言えば、「放射線は、高いエネルギーを持った『粒』」であり、『粒』は粒子性の意。

４．『eV（エレクトロン・ボルト）』とは

• 原子や素粒子の運動エネルギーの単位
• 定義：電気素量（＝電子の電荷） eクーロン（C）の粒子が電圧1ボルト（V）の真空の2点間で加速されるときに得る運動エネルギー　　 1eV=1.60×10-19J
• 粒子1個のエネルギーなので見かけは小さいが、重量あたりの運動エネルギーとしては極めて大きい
• 例：1MeVのβ線（電子）は1.76×1017J/kg

参考：銃弾や砲弾は105～106J/kg、流星、地球、太陽などの天体でも108～1010J/kg

注．空気の電離エネルギー34eVに呼応。エネルギーへの意識と大きさの相場観が狙い。

５．1eVのエネルギーとは

• 分子間力（化学結合）のレベル

注．エネルギーの大きさの相場観で、まず、電磁波である光のスペクトルと対比。波長で表されるのが普通だが、敢えてエネルギーで示した。波長が短いほどエネルギーが高いのは、分かりにくい。

６．化学結合エネルギーの例　（出典：http://onsa.g.dgdg.jp/u47.htm）

注．光が吸収されるのは化学結合の分子間力のレベル。空気の電離エネルギー34eVより、1桁低い。

７．『放射線』の特徴（１）小さい、軽い　　量子力学的

• 『小さい』：α線（ヘリウムの原子核）の直径は3.8×10-15m、β線（電子）の大きさはゼロか極めて小さく、γ線（光子）の大きさはゼロ。
• 例：フラフープ（直径1m）：α線＝地球の公転直径（3.0×1011m=3.0×1014mm）：ケシの実（直径0.57mm）
  • 『軽い』：α線は6.6×10-27kg、β線は9.1×10-31kg、γ線はゼロ。
• 例:1リットル入りのペットボトル（1kg）：α線：β線＝太陽の重さ（2.0×1030kg）：大型ダンプカー（13.2トン）：2リットル入りのペットボトル（2kg）

注．よい例とも言い難いが、何とか具体的なイメージを持たせたかった。量子力学というキーワードも生徒には刺激的。

８．『放射線』の特徴（２）速い　　相対論的

• 『速い』：γ線は光子なので、光速c=3.0×108m/s、5MeV（8.0×10-13J）のα線は0.09c（=27000km/s）、 1MeV（1.6×10-13J）のβ線は0.94c（=282000km/s）。
• 例：物質の速度で最も速いのは、太陽系が銀河宇宙内を動く速度240km/s。

注．α線やβ線の速度を例に挙げるのは珍しいと思う。ただ、ここでは非相対論的。

９．放射線の『作用』

• 電離作用　　　　霧箱、ＧＭ管
  • (a)原子に作用して電子を放出する
  • (b)原子は陽イオンになる
• 励起作用　　　　シンチレーション式カウンタ
  • (a)原子に作用して軌道電子のエネルギーを基底状態（安定）から高める（不安定）
  • (b)基底状態に戻るときに光やX線を出す

注．放射線を説明するときに、「実体」と「作用」があるということ。放射線検出器の違いにも触れている。

１０．α線、β線、γ線、X線の違い

• α線＝ヘリウムの原子核（大きい、重い、正電荷）
• β線＝（高エネルギーの）電子（小さい、軽い、負電荷）
• γ線＝（高エネルギーの）電磁波で、原子核から出る
• X線＝ （高エネルギーの）電磁波で、核外の軌道電子間から出る（あるいは高速電子の制動や偏向に伴う）
• α線やβ線の物質との作用は、電気力（静電引力・斥力）
• γ線やX線の物質との作用は、電子に働きかける作用（弱い相互作用）で固有のもの

注．ここでも、「実体」と「作用」を説明している。

１１．『自然にある放射線』

• 放射線を出す物質＝放射性物質（放射性核種）
• 身近な例：モナズ石（トリウムやウランの鉱石で、トリウムやウラン、派生するラジウム、ビスマス、タリウム、鉛などの放射性核種を含む）、花崗岩（御影石、岩石で建材や墓石として使用され、カリウム40やトリウム、ウラン起源の放射性核種を含む）、カリ肥料や昆布（植物や人体に必要なカリウムを含み、放射性のカリウム40を含む）
• 宇宙線＝X線、γ線、素粒子、あらゆる元素の原子核

注．放射線と放射性物質に言及。宇宙線を含め、放射線が宇宙に普遍的な存在であることを強調したい。

１２．『人工の放射線』

• 医療用のＸ線（レントゲン検査、ＣＴ検査、がん治療）、電子線（がん治療）、陽子線（がん治療）、重粒子線（がん治療）
• 空港などの手荷物検査用のＸ線
• 産業用のＸ線（検査など）、電子線（改質、滅菌など）、粒子線（半導体の製作）、光子線（ＩＣなどの製作）
• 研究用の電子線、粒子線（高エネルギー物理）、光子線（分析など）

注．人工の放射線は、いわば人類の知恵の産物で、意外にも暮らしの中に浸透している。

以上だが、距離の逆二乗測とか、遮へいの指数則、放射性物質の半減期という性質や、放射性壊変については、それぞれの各論で解説しているので、ここでは触れていないことに、注意されたい。授業の時間制限の中で、約20分でこの講義を行ってきた。何かの参考になれば、幸いである。

（※id:TJOがid:apgmmanから受領したWord原稿を元に再構成、代理投稿したものです）