紙による放射線の遮蔽実験についての一考察 : Ｓ霧箱を利用して
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(2) 北海道教育大学紀要（教育科学編）第69巻 第２号 Journal of Hokkaido University of Education（Education）Vol. 69, No.2. 平 成 31 年 ２ 月 February, 2019. 紙による放射線の遮蔽実験についての一考察 ― Ｓ霧箱を利用して ―. 柚 木 朋 也 北海道教育大学札幌校理科教育研究室. A Consideration of the Radioactive Shielding Experiment on Paper ― Using an S Cloud Chamber ―. YUNOKI Tomoya Department of Education, Sapporo Campus, Hokkaido University of Education. 概 要 この研究の目的は，α線とβ線の透過性を観察するための教材とその結果について考察する ことである。放射線はその種類により，物質の透過性が異なることが知られている。放射線を 直接見ることができないが，その透過性はサーベイメーターなどを使用して測定することに よって確かめることができる。しかし，放射線が実際に遮蔽される様子を観察することができ れば，より具体的に放射線の性質を実感できると思われる。今回は，霧箱の中に紙を入れるこ とによって，放射線の飛跡を観察した。その結果，紙によってα線が遮蔽される様子を明確に とらえることができることが明らかになった。 ［キーワード］α線，β線，教材，霧箱，透過. Ⅰ はじめに. 編理数編の物理基礎では，｢エネルギーとその利 用｣ の中で「放射線の種類と性質にも触れること」. α線やβ線などの放射線は，透過力が異なり，. と記述されている。また，その例として， 「例えば，. 様々な物質によって遮蔽されることがよく知られ. 放射線計測，霧箱を用いた放射線の飛跡の観察な. ている。中学校学習指導要領（平成29年告示）解. どを行うことが考えられる。また，例えば，放射. 説理科編（2018）では， 「放射線について科学的. 線の遮蔽を物質との相互作用と関連付けたり，放. に理解することが重要であり」と記述され，平成. 射性物質の利用法や環境等への影響と半減期や放. 30年に告示された高等学校学習指導要領解説理科. 出される放射線の種類とを関連付けたりするなど. 177.
(3) 柚 木 朋 也. して，これまでに学習したことを活用しながら総 合的に考察させることも考えられる。」とある。 放射線の遮蔽実験として，サーベイメーターなど を使用した実験はこれまでもよく行われてきた （文部科学省（2014））。しかし，測定機器の数値 の減少を調べるだけでは，遮蔽されている実感が あまりもてないのではないかと思われる。放射線 が物質で遮られるようすを観察できればより興 味・関心を高めることが期待できると考える。 霧箱を利用した遮蔽実験は，田原・原・古賀・ 辻（2013）や髙辻・芝原・山口（2018）などでも. 図１ Ｓ霧箱の構造図. 触れられており，放射線の実験をより具体的に行 うための工夫がなされている。今回はより簡易で 確実に遮蔽の効果を観察するために，S霧箱内に 線源と紙1枚を取り付け，α線の飛跡が遮蔽され るようすを実際に観察した。 Ｓ霧箱は，霧箱本体に熱伝導率が極めて小さい 発泡スチロールの一種であるポリスチレンペー. 図２ 線源に１枚の紙を貼り付けたゴム栓. パー（PSP）を使用し，底面にアルミニウムはく を使用した高感度な霧箱である（柚木・尾関・田 口（2015） ） 。また，ドライアイスは不要で，化学 的な寒剤で放射線の飛跡を観察することが可能で ある。S霧箱の特徴は，底面から約１cm以内の 領域に過飽和層があるため，全方向の放射線をと らえるのではなく，主として水平方向の放射線を とらえることができることである。そのため，今 回の遮蔽実験には特に適している。. Ⅱ 方 法. 図３ Ｓ霧箱を上部から見た図. 図1は，S霧箱の構造を示したものである。線. いた線源）と② ホコリ（北海道教育大学札幌校. 源は，ゴム栓で差し込むようになっている。. の倉庫で紙製のキッチンタオルに約90分間掃除機. そこで，線源の片面にPPC用紙（コクヨKB-. で吸着して集めたもの）を使用した1)。. KW39 紙厚：64g/m2・0.09mm）を貼り付け（図. その後の方法は以下のとおりである。. 2） ，紙が縦になるように差し込む（図3）。その. ａ フェルトにC2H5OHを30cm3含ませる。. 結果，紙から上のA領域は，「遮蔽なし」の領域. ｂ 食品包装用ラップフィルムで蓋をする。. となり，下側のB領域は，「遮蔽あり」の領域と. ｃ 線源（ホコリなど）の半分を紙で覆い霧箱. なる。. 内に入れる（図2，図3）。. なお，線源は，① 閃ウラン鉱（霧箱のキット. ｄ 融雪剤MgCl2 ･ 6H2O（直径2mm～6mm. （原子力エンジニアリング株式会社）に付属して. の粒状）85gと氷（かき氷）100gをかき混ぜ. 178.
(4) 紙による放射線の遮蔽実験についての一考察. た冷却槽の上に置き，光を当て観察するとと もにビデオカメラ（SONY FDR-AX100）で 撮影する。 ｅ 撮影した動画を調べることにより，α線と β線の遮蔽の様子を調べる。. Ⅲ 結 果 図4は，閃ウラン鉱による放射線の遮蔽のよう すを示した写真とそれを白黒反転させた写真を配 置したものである。 α線によると思われる飛跡が紙の上側のA領域 「遮蔽なし」に多く写っている。しかし，下側の B領域「遮蔽あり」には，α線と思われる飛跡が 認められない。また，β線によるものと思われる 飛跡は，上側のA領域「遮蔽なし」にはほとんど 写っていないが，下側のB領域「遮蔽あり」では 数多く認めることができる。 図5は，ホコリを線源に用いた場合の放射線の 遮蔽のようすを示した写真である。図4とよく似 た様子を示している。上側のA領域「遮蔽なし」 にはα線と思われる飛跡が数多く，下側のB領域 「遮蔽あり」には， β 線と思われる飛跡が多く 写っている。 このように，多くのα線が紙１枚で遮蔽される ことが明らかになった。しかし，観察していると 下側のB領域「遮蔽あり」にも，α線と思われる 飛跡が認められる場合があった。その現象は，ホ コリを線源に用いた場合に多く見られた。図6 は，図5と同じホコリを線源に使用し，冷却槽に 置いて2m32s後の写真である。上側のA領域「遮 蔽なし」には，図4，図5と同様，α線と思われ. 図４ 紙による遮蔽効果（閃ウラン鉱）. る飛跡が認められる。しかし，下側のB領域「遮. 線源には閃ウラン鉱を用いた。線源の横（写真では 線源の下）に紙1枚を付けている。 （冷却槽に置い て1m8s後，室温24.2℃，寒剤の温度−29.7℃）. 蔽あり」にも，β線の飛跡とともに，α線と思わ れる飛跡が明確に認められる。. 179.
(5) 柚 木 朋 也. Ⅳ 考 察 α線については，紙1枚で遮蔽されるという事 実を概ね示すことができた。α線は，比較的明瞭 な飛跡を残すため，撮影した動画を用いて，一つ 一つ確認することが可能である。そこで，紙で遮 蔽された領域と遮蔽されていない領域の数を比較 するために，α線の紙1枚に対する透過率を調べ た。 表1は，実験開始後の時刻からそれぞれ30秒間 に観察されたそれぞれの線源から出るα線と思わ れる飛跡の数をA領域「遮蔽なし」とB領域「遮 蔽あり」とに分けて調べた結果である。なお，線 源は，① 閃ウラン鉱と② ホコリ（キッチンタオ ルに吸着させたもの）であり，ホコリは観察開始 図５ 紙による遮蔽効果（ホコリ） 線源にはホコリを用いた。線源の横（写真では線源 の下）に紙1枚を付けている。 （冷却槽に置いて 5m43s後，室温24.2℃，寒剤の温度−28.1℃）. 時に採取後11m53sのものを使用した。 表１ １枚の紙に対するα線の透過率 ① 閃ウラン鉱 開始後 ［分］ 遮蔽 遮蔽 透過率 なし あり ［%］. ② ホコリ 遮蔽 なし. 遮蔽 あり. 透過率 ［%］. 正確確率検定 によるp値. 1. 115. 0. 0. 96. 14. 14.6. 0.001＜0.05. 2. 108. 2. 1.9. 100. 9. 9.0. 0.033＜0.05. 3. 98. 1. 1.0. 104. 13. 12.5. 0.002＜0.05. 4. 106. 1. 0.9. 102. 12. 11.8. 0.003＜0.05. 5. 105. 2. 1.9. 93. 6. 6.5. 0.157＞0.05. 6. 100. 0. 0. 94. 3. 3.2. 0.117＞0.05. 7. 93. 0. 0. 91. 2. 2.2. 0.155＞0.05. 8. 100. 0. 0. 91. 2. 2.2. 0.231＞0.05. 9. 97. 1. 1.0. 89. 4. 4.5. 0.202＞0.05. 10. 103. 1. 1.0. 81. 1. 1.2. 1 ＞0.05. α線の透過率は，紙より上側と下側には同じ数 の放射線がでているものと仮定し，算出した。閃 ウラン鉱の場合，透過率は2％以下と低く，時間 が経過しても透過率に大きな差は見られなかっ 図６ 紙を透過するα線（ホコリ）. た。一方，ホコリの場合，開始後4分間では透過. 線源の横（写真では線源の下）に紙1枚を付けてい る。（冷却槽に置いて2m32s後，室温24.0℃，寒剤 の温度−28.6℃）. 率が約10％であったが，その後透過率は低下し， 10分後では約1％になった。時間とともに変化し たのは，紙がエタノールで湿ったために，遮蔽効 果が高くなったためと考えられる。. 180.
(6) 紙による放射線の遮蔽実験についての一考察. 以上のように，閃ウラン鉱に比べるとホコリの. 運 動 エ ネ ル ギ ー が 大 き く， 特 に，214Po→210Pb. 方が，透過率が高いことが明らかになった。これ. （7.687MeV）は，運動エネルギーが大きいため，. は，前述の観察時の印象とも一致する。閃ウラン. 遮蔽が難しいことが考えられる3)。. 鉱とホコリによるα線の遮蔽の差をフィッシャー. ただし，紙を2枚重ね合わせた場合は，閃ウラ. の正確確率検定（両側検定）5％水準で調べた。. ン鉱もホコリの場合もB領域「遮蔽あり」では，. その結果，開始後約4分までは，閃ウラン鉱とホ. α線と思われる飛跡はほとんど見られず（2本以. コリでは，有意な差が見られた。しかし，5分以. 内で透過率は3%以下），有意な差は認められな. 後は有意な差が見られないことが明らかになった。. かった4)。紙を2枚重ね合わせた場合は，遮蔽効. 閃ウラン鉱とホコリで有意な差が見られたの. 果が高くなるため，差が生じなくなったと考えら. は，線源から出てくるα線のエネルギーの違いに. れる。. よるものと考えることができる。ただし，閃ウラ. また，ホコリでは，時間が経過するとともに放. ン鉱と北海道教育大学のホコリはどちらもウラン. 射線量が減少する。それは，閃ウラン鉱に含まれ. 2). 壊変系列によるものと考えられている 。表2は，. る放射性物質は半減期が長く（238Uは約44億6800. ウラン壊変系列における主な α 線の運動エネル. 万年，234Uは約24万6千年，230Thは約7万5千. ギーを表したものである。. 年，226Raは約1600年など）安定して放射線を出 すのに対して，採取したホコリの放射線量は約40. 表２ ウラン壊変系列における主なα線の運動エネ ルギー 壊変核種 238 234 230 226 222. 234 230. U → U → . B領域「遮蔽あり」でも多数見えたことから，紙. Th. 4.202. を透過することが考えられる。紙を2枚重ね合わ. Th. 4.775. せた場合も，多数観察できた。しかし，β線は下. 4.687. 側のB領域「遮蔽あり」でより多く観察され，A. Rn. 4.784. 領域「遮蔽なし」ではわずかしか観察されなかっ. Po. 5.490. た。例えば，図5のA領域「遮蔽なし」のように. Ra. 222. Ra → . 218. Rn → . 218. Po → . Pb. 6.002. α線が多い場合はβ線がほとんど目立たない。こ. 214. Po → 210Pb. 7.687. れは，A領域「遮蔽なし」ではα線が多いために. 5.304. 過飽和エタノール蒸気がα線に多く消費され，β. 210. 214. 次に，β線については，紙で遮蔽された下側の. 運動エネルギー［MeV］. 226. Th → . 分で半減するからである5)。. 206. Po → . Pb. （日本アイソトープ協会（編） ，2011から作成）. 線が消費する蒸気が不足するためと考えられる。 また，α線が多すぎると細いβ線が目立たないこ. 閃ウラン鉱は，ほぼ放射平衡に達していると考. とも考えられる。そのため，β線の紙による遮蔽. えられるため，表中のすべてのα線が同程度放出. の影響は，この実験からは明確な比較はできない。. されると考えられる。しかし，空気中から採取し. 霧箱で放射線をはじめて観察させる場合，α線. たホコリでは，気体となって空気中に放出された. と β 線の区別がつかない場合が見受けられるの. 222. Rnまでのα線. で，今回のように紙で遮蔽することによって，そ. はないと考えることができる。つまり，222Rnか. の違いを明確にし，観察させることも一方法であ. Rn以下の放射線のみとなり，. 222. ら半減期が比較的長い（22.20年）. 210. Pbまでの崩. ると考える。. 壊 が 中 心 に な る と 考 え れ ば，222Rn→218Po （5.490MeV），218Po→214Pb（6.002MeV），214Po →210Pb（7.687MeV）等の割合が高くなる。これ らは，222Rnまでの5MeV以下のものに比べて，. Ⅴ まとめ 今回の実験から，紙1枚で，上側のA領域「遮. 181.
(7) 柚 木 朋 也. 蔽なし」と下側のB領域「遮蔽あり」で大きな違. 簡易な霧箱の教材化と授業実践－放射線の透過性につ. いが観察された。また，閃ウラン鉱とホコリの違. いて理解するための授業展開の提案－，京都教育大学. いによって，放射線の飛跡の見え方や遮蔽の様子 の違いについても明らかにすることができた。S 霧箱では，時間とともに寒剤の温度が上がること やエタノールの影響などで，放射線の飛跡の見え 方が変化する。それでも，S霧箱を利用した今回 の実験は，α線の遮蔽の様子を容易に観察するこ とが可能であり，放射線の理解を進める上で有効. 教育実践研究紀要，18，pp.21-28，2018. 田原譲・原慎二・古賀一男・辻建二：放射線をより深く 理解するための霧箱の活用法，日本原子力学会年会・ 大会予稿集2013s0，p.18，2013. 日本アイソトープ協会（編）：アイソトープ手帳，丸善， p.11，2011. 文部科学省：全ベータ放射能測定法（昭和51年改訂） ， p.14，1977. 文部科学省：中学生・高校生のための放射線副読本， p.11，2014.. であると思われる。. 文部科学省：中学校学習指導要領解説理科編，学校図書， 2018.. 謝 辞. 文部科学省：高等学校学習指導要領解説理科編理数編，. なお，本研究の一部はJSPS科研費26381248の. 柚木朋也，尾関俊浩，田口哲：融雪剤を用いた簡易霧箱. 助成を受けたものである。. 2018. の開発，物理教育，63⑴，35-38，2015. 柚木朋也，伊藤雄一，浜田康司：S霧箱を使用した放射 線の観察に関する研究－中学校における取組－，理科. 註 １）今回は，北海道教育大学札幌校の研究棟にある3階 の倉庫で，家庭用掃除機の先に紙製のキッチンタオル を取り付け，約90分間ホコリを吸着した。ホコリを吸 着したキッチンタオルを10mm×10mmの大きさに切り 取り，ホコリの付いた面を外側に折り，5mm×10mm としたものを線源として利用した。 ２） 「北海道教育大学で採取したホコリは，ガンマスペク トロメーター (LB-2045)を用いてスペクトルを分析し た結果，ホコリのγ線スペクトルから300keV，600keV 付近にピークが見られた。これらはウラン系列に属す る214Pb及び214Biから放出されるγ線のエネルギーに類 似していることから，ホコリに付着している核種は， 主にウラン系列の222Rnやその娘核種であると思われ る。」（柚木・伊藤・浜田（2016））。 ３）ホコリに含まれる放射線源は，218Poとその娘核種で ある214Pb，214Bi，214Poが主要因であると思われる（柚 木，2018）。 ４）α 線と思われる飛跡には，線源以外から出る放射線 （自然放射線）も少ないながら含まれている。 ５）ホコリの放射性物質が約40分で減少することについ ての詳細は柚木（2018）を参照のこと。. 引用・参考文献 国立天文台：『理科年表』，丸善，pp.482-483，2015. 髙辻舞華・芝原寬泰・山口道明：ペルチェ素子を用いた. 182. 教育学研究，57⑵，pp.155-168，2016. 柚木朋也：大気中の放射性塵埃の半減期についての一考 察，北海道教育大学紀要，68⑵，pp.51-59，2018.. （札幌校教授）.
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