보이지 않는 방사선을 “본다”! 안개상자로 알파선의 궤적을 쫓아라! (방사선 관찰)
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험입니다.
과학실에서 방사선을 직접 “볼 수 있는” 특별한 경험을 해보지 않으시겠어요? 이번에는 손수 만든 안개상자(霧箱)를 이용해 천연 방사성 광물인 섬우라늄석(우라니나이트)에서 방출되는 α선(알파선)의 흔적을 관찰하는 수업 사례를 소개합니다.
안개상자는 과학관 등의 전시에서도 인기가 많은 실험 장치입니다. 하지만 직접 재료를 준비하고 조립해 보면, 전시를 바라보기만 할 때와는 전혀 다른 ‘과학하는 즐거움’을 느낄 수 있습니다. 이번에는 ‘원자력 엔지니어링 주식회사’의 안개상자 키트를 활용했습니다. 시판 제품이지만 학교에서도 다루기 쉽고, 안전성을 고려해 설계된 제품입니다.
【준비물】
과학실이나 학교에 있는 물품 외에 다음과 같은 재료가 필요합니다.
• 수건(보온 및 미끄럼 방지용)
• 받침대(드라이아이스의 보온용)
• 드라이아이스(약 1kg, 700엔 전후)
• 방사선원(이번에는 섬우라늄석을 사용)
• 펜라이트 또는 LED 조명
• 목장갑(보호용)
• 무수 에탄올
• 스포이트
• 암실 또는 암막으로 어둡게 만들 수 있는 방
※드라이아이스는 얼음 판매점 등에서 구입할 수 있습니다. 예를 들어 지바역 근처에는 이와카와 빙실(岩川氷室)이 있습니다. https://maps.app.goo.gl/QMHKJdppKhRhKTXK7?g_st=ic
안개상자의 원리와 관찰 포인트
안개상자 내부에서는 에탄올이 증발하고, 차갑게 냉각된 드라이아이스 표면 근처에 과포화 상태의 에탄올 증기가 만들어집니다. 드라이아이스로 인해 온도 차이가 생기기 때문에 내부의 기체가 위아래로 흐르면서, 아주 작은 자극만으로도 기체가 액체로 변할 수 있는 상태가 유지됩니다. 이곳에 방사선원(섬우라늄석)을 넣으면 α선이 방출될 때 비행운처럼 가느다란 선 모양의 흔적이 나타납니다.
α선 자체는 종이 한 장만으로도 막을 수 있을 정도로 투과력이 약하고 몇 cm 정도밖에 날아가지 못합니다. 하지만 α선이 지나간 길에는 많은 이온이 만들어지고, 이것을 중심으로 에탄올 증기가 응결합니다. 바로 이 현상이 ‘방사선의 발자국’으로 눈에 보이게 되는 것입니다. LED 조명을 옆에서 비추면 하얀 선이 더욱 선명하게 보입니다. 아이들이 “우와!” 하고 탄성을 터뜨리는 순간이기도 하지요.
광물로서의 섬우라늄석
이번에 사용한 방사선원은 섬우라늄석(uraninite)입니다. 우라늄을 많이 함유한 광물로, 주성분은 이산화우라늄(UO₂)입니다. 결정계는 등축정계이며, 모스 경도는 5~6, 비중은 7.5~10으로 매우 무거운 광물입니다. 황산이나 질산 등에 비교적 잘 녹는 성질도 있습니다.
※방사선원의 취급에는 각별히 주의해야 합니다.
실험 과정
1. 바닥 만들기: 드라이아이스 위에 알루미늄판을 올리고, 수건이나 받침대를 이용해 안정적으로 고정합니다.
2. 에탄올 바르기: 스펀지나 펠트에 무수 에탄올을 충분히 적신 다음 알루미늄판 위에 올려놓습니다.
3. 방사선원 설치: 고무줄 끝에 방사선원(섬우라늄석)을 달아 안에 넣고 뚜껑을 닫습니다.
4. 암실에서 관찰: 방을 어둡게 한 뒤 옆에서 LED 조명을 비추어 비행운처럼 나타나는 선을 관찰합니다.
이 실험은 방사선이라는 ‘눈에 보이지 않는 존재’를 눈으로 확인할 수 있는 귀중한 경험을 제공합니다. 방사선을 단순히 ‘무서운 것’으로 생각하기보다는, 올바른 지식과 안전한 환경을 갖춘다면 과학적 호기심을 크게 자극할 수 있는 흥미로운 소재로 활용할 수 있습니다. 수업에서도 꼭 한번 활용해 보세요.
설명 슬라이드 예시)
방사선 측정기도 함께 사용하면 방사선이 더욱 친숙하게 느껴질 것입니다.
학교에서도 직접 만들 수 있는 안개상자이지만, 쓰쿠바 엑스포 센터에 있던 안개상자가 정말 잘 보여서 사진과 영상을 찍어 왔습니다. 자연 방사선의 흔적이 아주 선명하게 보입니다.
안개상자는 다른 과학관에서도 자주 볼 수 있습니다. 역시 과학관에 설치된 안개상자는 크기도 크고 방사선의 흔적이 잘 보이도록 여러 가지로 공들여 만들어져 있어서 정말 멋집니다. 한참 동안 바라보고 있어도 질리지 않을 정도입니다.
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