ガイガーカウンターと放射性崩壊半減期

所要時間 : 1クラス

放射能は日常生活における多くのものに含まれています。たとえば、花崗岩製のテーブルなどは、典型的に放射能が含まれています。多くの煙探知機の煙を検出する機構は、放射性物質が少量含まれたサンプルによるイオン化に基いています。またがんの治療においては、放射線を医学的に使用するのが一般的です。放射性炭素年代測定法は、考古学的な美術品の年代を決定するため使われており、放射線を使った測定法は枚挙に暇がありません。

放射性物質の崩壊速度は、多くの場合ガイガーカウンターを用いて決定されます。減衰率は、放射性物質の存在量に比例するとき、減衰率は時間とともに指数関数的に減少します。元のレートの半分になるように減衰率に要する時間は、放射性物質の半減期として知られています。

このプロジェクトは、放射性同位体の崩壊過程と、減衰率を測定するために使用するガイガーカウンターの両方をシミュレートします。減衰率はシンセスピーカーにより出された音によってシミューレートされ、高いピッチほど高い減衰率に呼応しています。生徒は、半減期が変化する2~11分までの10個に分かれてシミュレートされた放射性同位体元素のうちの1つの時間に対する減衰率に関するデータを収集します。

Arduinoのモジュール上で実行されているスケッチ(プログラム)によって自動的に収集されたデータは、学生の分析用のExcelスプレッドシートにインポートされます。

サポートファイル

Steps

下図は全体の回路を示しています。パワーモジュールはスプリットモジュールに接続します。スプリットモジュールの片側はスライドディマーに接続します(または、ディマーでもけっこうです)。スプリットモジュールの片側はスライドスイッチ(またはトグルスイッチ)へ接続します。スライドディマーは、Arduinoモジュールのa0入力に接続します。スライドスイッチは、Arduinoモジュールのa1入力に接続します。シンセスピーカーは、Arduinoのd5出力に接続し、ナンバーモジュールは「value」にセットしArduinoのd9出力に接続します。マイクロUSBケーブルは、ArduinoのIDEソフトウェアを実行しているコンピュータにArduinoボードを接続します。Arduino上にある両方のスイッチを「analog」に設定します。

同位体セレクターでは、異なる半減期である0~9までの10のIDから同位体を選択することができます。ナンバーモジュールには、選択された同位体のID番号が表示されます。一度シミュレーションスイッチをONにしてシミュレートが開始されると、選択された同位体を変更することはできません。講師は添付ファイルから10個の同位体ごとに、分単位での半減期のリストを見ることができます。シンセスピーカーは、シミュレートされた放射性同位元素の高い減衰率に呼応して高いピッチが出力されます。シミュレーションの進行のArduinoのスケッチにより、時間と減衰率の氷河自動的にArduinoのシリアルモニターに記録されます。データ終了時に生徒は、添付ファイルとして提供されるエクセルのスプレッドシートにテーブルをインポートすることができます。

1.回路のセットアップ

2.データ収集のためのArduinoモジュールの準備

ArduinoモジュールがマイクロUSBケーブルを介してコンピュータに接続されており、コンピュータにはArduinoのIDEソフトウェアがインストールされている必要があります。ARDUINO SWITCHESは、両方ともANALOGにセットしてください。

Arduinoモジュールの電源を入れ、ArduinoのIDEソフトウェアを起動します。Tools>Board>Arduino Leonardoを選択し、Tools>Serial Port を選択し、Arduinoの通信に使用するシリアルポートを選択します。これはWindows、Mac、Linuxを使用しているかに依存します。RadioactivitySimulator.inoのスケッチファイルを開きます。スタートシミュレーションがOFFの位置で、Arduinoのモジュールにスケッチをアップロードします。アップロード中は黄色でrx/txがモジュール上で点滅します。

Tools>Serial Monitor in the Arduino softwareをクリックしてArduinoソフトウェアのシリアルモニターを開きます。

同位体ナンバーモジュール内の、講師によって表示された0~9までの番号が割り当てられたIDが見えるまで同位体セレクターのスライドディマーを動かします。

次にスタートシミュレーションスライドスイッチをONの位置にして、シミュレーションを開始します。シンセスピーカーは、毎秒1回の短いサウンドを発します。シミュレートされた放射性同位元素の減衰率が大きいほど音の高さが高くなります。時間が進むにつれて、シリアルモニターウィンドウの減衰速度の詳細が表示されます。この表をどのように見るかを次の図に示します。時間は数分間で減衰率は壊変毎秒で表されます。この減衰率の一般的に使用する単位はベクレル(略してBq)といい、毎秒の1減衰を表しています。

最初からシミュレーションを開始する場合は次の手順になります。

  1. スタートシミュレーションスイッチがOFFに設定されていることを確認してください。

  2. Arduinoのモジュールにスケッチをアップロードします。

  3. シリアルモニターウィンドウを開きます。

  4. スライドディマーからの同位体IDを選択します。

  5. スタートシミュレーションスイッチをONにして、シミュレーションを開始します。

2.データ収集のためのArduinoモジュールの準備

ArduinoモジュールがマイクロUSBケーブルを介してコンピュータに接続されており、コンピュータにはArduinoのIDEソフトウェアがインストールされている必要があります。ARDUINO SWITCHESは、両方ともANALOGにセットしてください。

Arduinoモジュールの電源を入れ、ArduinoのIDEソフトウェアを起動します。Tools>Board>Arduino Leonardoを選択し、Tools>Serial Port を選択し、Arduinoの通信に使用するシリアルポートを選択します。これはWindows、Mac、Linuxを使用しているかに依存します。RadioactivitySimulator.inoのスケッチファイルを開きます。スタートシミュレーションがOFFの位置で、Arduinoのモジュールにスケッチをアップロードします。アップロード中は黄色でrx/txがモジュール上で点滅します。

Tools>Serial Monitor in the Arduino softwareをクリックしてArduinoソフトウェアのシリアルモニターを開きます。

同位体ナンバーモジュール内の、講師によって表示された0~9までの番号が割り当てられたIDが見えるまで同位体セレクターのスライドディマーを動かします。

次にスタートシミュレーションスライドスイッチをONの位置にして、シミュレーションを開始します。シンセスピーカーは、毎秒1回の短いサウンドを発します。シミュレートされた放射性同位元素の減衰率が大きいほど音の高さが高くなります。時間が進むにつれて、シリアルモニターウィンドウの減衰速度の詳細が表示されます。この表をどのように見るかを次の図に示します。時間は数分間で減衰率は壊変毎秒で表されます。この減衰率の一般的に使用する単位はベクレル(略してBq)といい、毎秒の1減衰を表しています。

最初からシミュレーションを開始する場合は次の手順になります。

  1. スタートシミュレーションスイッチがOFFに設定されていることを確認してください。

  2. Arduinoのモジュールにスケッチをアップロードします。

  3. シリアルモニターウィンドウを開きます。

  4. スライドディマーからの同位体IDを選択します。

  5. スタートシミュレーションスイッチをONにして、シミュレーションを開始します。