霧の玉手箱２４（ウイルソンの霧箱）

科学教育

１．キュリー夫人語る「現在の学校は、口頭または筆記による訓練に時間をかけすぎている」 

１９世紀、２０世紀初頭のフランスの初等・中等教育ではすでに問題が指摘されていた。

２．高等学校理科学習指導要領

「物理」の内容とその範囲，程度（原子核関連のみ）

原子：電子，原子及び原子核に関する現象を観察，実験などを通して探究し，原子についての基本的な概念や原理・法則を理解させる。

ア電子と光、電子の電荷と質量について理解すること。
(ｲ) 粒子性と波動性
電子や光の粒子性と波動性について理解すること。

内容の(4)のアの(ｱ)については，電子に関する歴史的な実験にも触れること。(ｲ)について
は，光電効果，電子線回折などを扱い，Ｘ線にも触れること。

イ原子と原子核
(ｱ) 原子とスペクトル
10 原子の構造及びスペクトルと電子のエネルギー準位の関係について理解すること。
(ｲ) 原子核
原子核の構成，原子核の崩壊及び核反応について理解すること。
(ｳ) 素粒子
素粒子の存在について知ること。

内容の(4)のイの(ｱ)については，水素原子の構造を中心にスペクトルと関連させて扱うこと。
(ｲ)については，質量とエネルギーの等価性にも触れること。

物理学が築く未来について

・核融合発電などの新しいエネルギー資源の開発や省エネルギーシステムの開発
・宇宙の始まり，宇宙の構造，物質の起源に関する研究
・ブラックホールや時空に関する研究
 ・他の科学と融合し人類の未来に貢献する可能性

エ原子に関する探究活動
原子に関する探究活動を行い，学習内容の理解を深めるとともに，物理学的に探究する能力を高めること。

３．実験授業、演示実験、公開実験の必要性

準備、時間、器具、場所設備などの時間がかかるが効果は大きい。

 例：ある講演の後、中学生の感想は「自分は科学が苦手っだが、分かり易い実験や話によってすごく科学に興味を持った」。また「初めて都会の夜空の星を早見星座表を手に観察できてうれしかった」。

このように私たちは、子どもの頃から直接自然に接し触れることにより、そこに見いだされる自然の「不思議さ」や「なぞ」を解いてみたいという好奇心を抱いたり、自然の事物現象に「おもしろさ」を見いだし、わくわくしながらそれらを観察し多くのことを学んできた。人類は、古代よりそういった自然環境の中に存在し生成する自然物や自然現象に支えられ、影響を受け、またその中に神秘性、美しさ、荘厳さを感じ心をうたれ、時には恐れを感じながら々生活している。たとえば、古代の人は、美しい星空を眺め、星座にまつわる神話を創り出した。

生徒たちが受け身で授業を受けて、問題を解く力を身につけたとしても、じゃーこういう場合はどうなるのだろうかなどという能動的な新しい問題を見つける体験をしたことが無しに大学生になると、大学で求められる力とのギャップに苦しむのは生徒たち自身なのではないでしょうか。

本当に面白いと思えばあとは自分でやるんだよとよく言われます。確かに実験しながら分かった！と興奮して自分の考えを友達にとうとうと述べる生徒の姿を思い浮かべるとその言葉に共感します。

大切なのは不思議に思い、発見して驚く感動体験、つまり科学の素晴らしさや科学する面白さを自分の頭で感じることです。

 

霧の玉手箱２３（ウイルソンの霧箱）

実験の様子、感想、衝撃、目撃、興奮

１．ラジウムの青い光

1トンのピッチブレンドから分離精製できたラジウム塩化物はわずか、0.1グラムほどです。したが、次の1トンそして次の1トンと精製を重ねるうちに、放射性元素は着々と濃縮されていきます。

そしてある夜のこと、精製を続け、凝縮したラジウム塩化物をマリーが試験管から蒸発皿へ移したときのことです。蒸発皿が何やら、青白く光っているように見えたのです。最初は連日の疲れから、天上のランプの光に蒸発皿が反射しているのかと思いましたが、そのランプを消してみたところ、確かに蒸発皿全体が青白く光っているではありませんか！

後年、マリーはこのときの光を「青白い妖精のようだった」と語っています。こうして、1902年3月、マリーとピエールは世界で初めて、純粋なラジウムに限りなく近い濃縮試薬の抽出に成功しました。出来上がった試料のスペクトルを計ってみたところ、ラジウム固有のものであることも確認でき、暗い実験室の中で青白く光る純粋ラジウム塩の青い光を、二人は手をつないでいつまでも眺めていました。

2.人類最初の連鎖反応（最初の原子炉CP-1）

　原子炉は最初の計画ではシカゴ郊外のアルゴンヌの森の中に建設されることになっていたが、建物の完成を待てなかったため、シカゴ大学のフットボール場のスタンドの下を利用した建設を急いだ。1942年11月4日に炉の組み立てが始まり、一か月後の12月2日に試運転が行われた。
　ウラン燃料約42トン、黒鉛減速材350トン、制御棒にはカドミニウム板とボロン含有鋼鉄板が用いられた。
　原子炉の開発に参加した43人が試運転に立ち会った。フェルミを始め、コンプトン、シラード、ウィグナー、ジンなど有名な学者も含まれていた。試運転はフェルミの総指揮の下に行われた。 
　（臨界に達したときの様子を、フェルミの助手を務めたアンダーソンの手記から引用）
「カドミニウムの制御棒は一段一段ゆっくりと引き抜かれた。最終段階に到達したとき、次の段でフェルミは原子炉が臨界に達する確信を得た。カドミニウム棒を必要な位置まで引き出したとき、中性子強度の増加は目に見えて早くなった。最初、計数管の音はチクタク、チクタクと聞こえていたが、この音は急速に増え、しばらくするとゴウゴウとうなるような音になった。計数管はもはやこれに追随できない。この瞬間グラフを描くスイッチが入る。すべての人は急に押し黙り、記録のペンが山なりに振れるのをじっと見つめた。それは恐ろしいような沈黙であった。だれもがスイッチの意義を理解していた。あまりに高い強度の領域を相手にしているので、もはや計数管はこれ以上対応できないのである。何度も何度も記録計の目盛りを切り換えねばならなかった。ますます急増する中性子の強度に呼応する必要があったからである。急にフェルミが手を上げた。そして、”炉は既に臨界に達した。”と宣言した。そこにいる人はだれもそれを疑わなかった。そして、どうしてフェルミが炉を停止させないのかと皆がいぶかり始めた。しかし、フェルミは全く冷静そのものだった。彼はそのあと1分、そしてまた1分待った。皆の心配が頂点に達したように見えたとき、彼は命令した。”ジップをおとせ。”ジンがジップのロープをゆるめた。制御棒が落下して炉に挿入され、中性子の強度は突如として低下した。－－－－－ だれも笑わなかった。だれもが興奮していた。彼らは歴史の中の偉大な瞬間の証人となったのである。」
　

3.トリニティ実験（ Trinity）

1945年7月16日にアメリカ合衆国で行なわれた人類最初の核実験である。
現地時間 5時29分45秒に爆弾は爆発し、TNT換算で約19kt（87.5 TJ）のエネルギーを放出した。この爆発で砂漠の爆心地には放射能を帯びたガラス質の石からなる深さ3m、直径330mのクレーターが残された。爆発の瞬間、実験場を取り囲む山々は1秒から2秒の間、昼間よりも明るく照らされ、爆発の熱はベースキャンプの位置でもオーブンと同じくらいの温度に感じられた、と報告されている。観察された爆発の光の色は紫から緑、そして最後には白色へと変わった。衝撃波による大音響が観察者の元に届くまでには40秒かかった[6]。爆発の衝撃波は160km離れた地点でも感じることができ、キノコ雲は高度12kmに達した。

4.忌まわしい核実験

1962年10月、アメリカで行われた核実験を地球の外から撮影した写真です。
これはすごいです...核爆発で発生した煙に地球が覆われています。
核出力400キロトン、上空50キロ弱にも舞い上がるキノコ雲...。言葉が出ません。 

５．素朴な驚き・感激

ウイルソンのように霧の美しさに感激して研究心をもったり、

子どものときの夜空の星々の美しさに感動したり、望遠鏡で土星の衛星を見たり、輪を視たりして感激した少年もいるだろう。

また科学の実験で驚いたり、不思議に思ったことも忘れられない思い出に残る。

人間は好奇心満々の動物である。

霧の玉手箱２２（ウイルソンの霧箱）

原子力発電（出典：ＷＥＢ・ＷＩＫＩＰＥＤＩＡ）

ロシア・レニングラード原子力発電所

 

略年表

 

　　　1939年 - 原子核分裂の発見^[7]。

• 1951年 - 世界初の原子力発電がEBR-Iで実施^[7]。
• 1953年 - Atoms for Peace提案^[13]。
• 1954年 - ソビエト連邦のオブニンスク原子力発電所発電開始^[10]。
• 1955年 - 原子力基本法が成立^[33]。
• 1956年 - 初の商用原子力発電所、イギリスのコルダーホール発電所運転開始^[13]。
• 1957年 - 国際原子力機関発足^[13]。
• 1963年 - 日本初の原子力発電実施^[13]。
• 1966年 - 日本初の原子力発電所、東海発電所完成^[7]。
• 1974年 - アメリカ原子力委員会分割^[9]。
• 1979年 - スリーマイル島原子力発電所事故発生^[19]。
• 1986年 - チェルノブイリ原子力発電所事故発生^[19]。
• 1999年 - 東海村JCO臨界事故発生^[34]。
• 2006年 - 国際原子力パートナーシップ発表^[35]。
• 2011年 - 福島第一原子力発電所事故発生　　

核燃料：ウランの放射性同位体であるウラン235、プルトニウム239である。

 

核分裂炉を、用いる減速材で分類すると以下のように分けられる。

 

軽水炉

加圧水型原子炉 - 沸騰水型原子炉

重水炉

CANDU炉 - 新型転換炉 - ガス冷却重水炉

黒鉛炉

黒鉛減速ガス冷却炉 - 黒鉛減速沸騰軽水圧力管型原子炉 - 溶融塩原子炉

高速炉

高速増殖炉

問題点

１．環境負荷：三重水素の放出、温排水

２．危険性：高レベルの放射線や放射性物質が大量に漏洩　　

３．有限な資源量

４．軍事転用の危険

５．コストが高い：立地対策、多重安全装置、廃炉まで含めて

 

 利点：技術進歩によるメリット向上の可能性、科学技術の進歩

参考：東京電力の2009年度(平成21年度)のデータ。
○ 福島第一原発 （認可最大出力）
福島第一原発 1号機 （ 46.0万kW）
福島第一原発 2,3,4,5号機 （ 78.4万kW）
福島第一原発 6号機 （110.0万kW） 
―――――――合計 〔469.6万kW〕 
福島第一原発 7号機 （138.0万kW） ： 未着工
福島第一原発 8号機 （138.0万kW） ： 未着工

○　福島第二原発 （認可最大出力） 
福島第二原発 1,2,3,4号機 （110.0万kW）
 
―――――――合計 〔440.0万kW〕

霧の玉手箱２１（ウイルソンの霧箱）

人類はパンドラの箱を開けるー核爆弾投下

　　　　

核爆弾のエネルギー比較

 

1952年11月1日

アイビー マイク

アメリカ合衆国

人類史上初の多段階熱核反応兵器実験（非実用兵器）

1954年3月1日

キャッスル ブラボー

アメリカ合衆国

水爆（人類史上初の多段階、実用兵器）、放射性降下物事故（第五福竜丸が被曝）

1961年10月31日

ツァーリ・ボンバ

ソビエト連邦

人類史上最大の水爆実験

しかし核爆弾のエネルギーといえども大地震のエネルギーに比べると遥かに小さい。

やはり自然は強大だ。さらに太陽のエネルギーはさらに何桁も大きい。超新星爆発やブラックホールに至っては巨大そのものだ！人間はそれを知るべきだ！！

　

 

霧の玉手箱２０（ウイルソンの霧箱）

 

（番外）霧の玉手箱がパンドラの箱になるとき

　

　　　

　

ギリシャ神話解説（出典：ＷＥＢ）　

パンドラは最初の人間の女性で、その名前の意味は「すべてを与えられた」である。その名の通り、神々から贈り物をもらって創られた女性なのである。

アテナは知恵を、アプロディーテは美しい肉体を、アポロンは美しい歌声を与えた。そしてヘルメスは美しい彫刻を施した金の箱を与え、決して開けてはいけないと言った。そのあと、ヘルメスは彼女に「好奇心」を与えた。

実はこれは、プロメテウスが人間に火を与えたので、人間が神に近づこうとしているのを見たゼウスがたくらんだのである。人間の誇りを制圧する計画なのである。

パンドラは好奇心を与えられたので、金の箱の中を見たくなり、ついに開けてしまったのである。

パンドラが箱を開けると、あらゆる人間の災いが飛び出した。痛風、リュウマチなどの病、貧困、嫉妬、怨恨、復讐、核爆弾、放射能被害、核の冬などである。あわてて蓋を閉めると、「希望（前兆）」だけが中に閉じ込められたままであった。

「希望」までもが残らず、外に飛び出ていたら、人間は希望を失い、滅びていたことだろう。

希望を抱くことができなくなり、生きていられなくなる。人間は災いから生き残っていくことは可能であるが、希望なしに生きることはできない。