理科教育における実験・観察教材(ブラウン運動、電子の波動性、光速度測定)の研究

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ブラウン運動に対するアインシュタインの理論は、J.ペランによって実験的裏付けを得て、分子の実在性を確定的なものにした。J.ペランの実験のうち、希薄なコロイド溶液の沈降平衡の測定実験は、ブラウン粒子が外力(重力)の下で気体分子と同様の振る舞いをすることを示し、粒子の濃度分布からアボガドロ数が導かれる。CCDカメラとコンピューターの利用によってブラウン粒子数の計測を容易に行うことができ、これをアボガドロ数の算出、原子・分子の実在性を明らかにする理科実験教材とすることを検討した。これまでの理科教育の中で、原子・分子概念は、化学反応における規則性の発見から仮説として導入されているが、ブラウン運動の観察は分子の実在性を直接示す教材として有効である。ブラウン運動の計測を行うためには大きさ、質量の揃ったブラウン粒子が必要であり、市販の粒径の揃ったラテックス粒子(ポリスチレン標準粒子、直径〜1μm)の利用が有効である。スライドグラス上に密封したラテックス溶液を用意し、数時間放置すると沈降平衡に達する。この粒子分布を顕微鏡によって観測・計測する。光学顕微鏡に取り付けたCCDカメラにより、ラテックス粒子の分布映像をコンピューターに取り込み、計測ソフトによって溶液深度毎(数μm)の粒子数を容易に計測することができる。粒子数分布は指数関数の振る舞いを示し、これからアボガドロ数を求めることができる。粒子の大きさ(質量)、溶液温度によって粒子分布が変わることが観察でき、ブラウン運動の分子運動論的説明の根拠を示すことができる。以上の演示実験によって、原子・分子の実在性、分子運動に対する理解が深まることが期待できる。