空き瓶を使ったダイヤモンド合成装置

PTA 研修委員会主催の「自然科学公開講座」で東海大学の広瀬洋一先生の講演の実験装置．

空き瓶を３個使った安価なダイヤモンド合成装置の組み立て方，および実験方法の説明．
１．準備
　以下のものを用意する．
　・空き瓶３個
　・ゴム栓３個
　・金属パイプ１本
　・モリブデン線
　・タングステン線
　・基板（シリコンやモリブデン）鉄，ニッケル，コバルト以外
　・ガラス管
　・ゴム管
　・ピンチコック
　・スライダック
　・アルコールランプ

すべて理科室でそろう．

２．装置の組み立て
　図のように装置を組み立てる．きわめてシンプルな装置であり，工夫によって価格は５００円程度と安価である．



３．実験方法
　１）メタノールをビンに入れ，ビン内に気泡が残らないようにメタノールで完全に満たす．ビン内に空気が残った状態でフィラメントを点灯させると爆発の危険があるので，十分にチェックし確認する．
　２）基板とフィラメントがついたゴム栓をメタノールの入っているビンに強く差し込む．他の２個のゴム栓もビンに差し込む．メタノールの入っているビン内に気泡が残っていないことを確認した後，ピンチコックを開ける．
　３）フィラメントが赤熱する程度に電圧を上げる．メタノールは気化し，ビンの上部にメタノールの蒸気の空間ができる．そして，メタノールの液面が徐々に下がってくる．フィラメントがメタノールの液面から出たら，電圧をさらに上げてフィラメントを白熱させる（２０００℃，非常にまぶしい）．通常は７～９Ａで１２～１５Ｖ程度．２０００℃の温度は市販の白熱電球（何ワットでも）のフィラメントの温度と同じなので，サングラスを使って，同じ明るさになるように電圧を調節する．
　４）実験開始後，１５分経過したらアルコールランプに火をつける．
　５）１～２時間後，アルコールランプの火を消し，電源を切り，ピンチコックを閉じて実験を終了させる．
　６）基板を取り出し，顕微鏡で観察する．



ダイヤモンド合成中

2000年2学期 うふふテスト

数学A 「式と証明」のところのテスト
TeXソースとPDF


1 次の集合のうち，集合M = {1, 2, 3, 6} と包含関係のあるものをあれば，その包含関係を書け．


A = {x| 0 ≤ x < 10}

B = {n|n は3 の正の約数}

C = {n|n は6 の正の約数}

D = {n|n は8 の正の約数}



2 ド・モルガンの法則を書け．（集合でも論理でもいい）



3 補集合を定義せよ．



4 どんな集合の部分集合にもなりうる集合は何か．



5 1 から100 までの整数のうち12 と互いに素な数の個数と和を求めよ．



6 恒等式と方程式の違いはなにか．



7 等式の証明の方法を３種類説明せよ．



8 x : y : z = 1 : 2 : 3, x + y + z = 6 のとき，x, y, z の値を求めよ．



9 基本性質

1. a > b ⇒ a + c > b + c

2. a > b, c > 0 ⇒ ac > bc

だけを使って（つまりこれらの読み替えだけで）「a > b, c < 0 ⇒ ac < bc」

を証明せよ．ただし，その基本性質を使った場所も明示せよ．


10 a > 0, b > 0 に対し，a > b ⇐⇒ a^2 > b^2 を示せ．


11 a > 0 に対し，a +1/a ≥ 2 を示せ．また等号成立は？


12 5√(a^2 + b^2) ≥ 3|a| + |b| を証明せよ．また，等号成立は？


13 p ⇒ q の逆，裏，対偶および背理法の仮定を述べよ．


14 命題ab = 0 ⇒ a = 0 or b = 0 を

(1) 普通に証明せよ．

(2) 対偶を使って証明せよ．

(3) 背理法を使って証明せよ．


15 同値な命題p, q に対しp はq の何条件？

		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	14	14	15
	×(0)	19	8	109	39	94	40	15	11	114	85	50	106	7	108	33	68	9
	△(.1)	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	△(.2)	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	2	0	0	0	0	0	0
	△(.3)	15	0	0	0	1	0	8	0	0	0	0	1	7	0	0	0	0
	△(.4)	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0
	△(.5)	0	17	1	0	17	24	1	1	2	23	1	2	0	4	1	36	0
	△(.6)	0	0	0	0	0	0	2	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	△(.7)	20	0	0	0	0	0	26	0	0	0	0	0	2	0	0	0	0
	△(.8)	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	5	3	73	0	0	0	0
	△(.9)	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	5	2	13	0	0	0	0
	○(1)	64	94	9	80	7	55	67	107	3	11	56	5	16	7	85	15	110
	重み補正	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10
	倍率	1.4286	1.161	12.526	1.4875	7.5316	1.7761	1.3326	1.107	29.75	5.2889	1.8196	11.333	1.3222	13.222	1.3918	3.606061	1.081818
	補正倍率	1.1609	1.0644	2.8788	1.1807	2.327	1.2716	1.1276	1.0434	4.1338	2.0071	1.2845	2.7608	1.1239	2.9446	1.1483	1.710023	1.033443
	配点	3.8439	3.5245	9.5321	3.9095	7.705	4.2105	3.7337	3.4549	13.688	6.6459	4.2533	9.1413	3.7215	9.7501	3.8022	5.662145	3.421885
		最大	最小	倍率比	補正倍率比	補正定数
		29.8	1.1	27.5	4	0.4183
		30.201	補正合計
		100	配点合計
		3.3112	配点
		D	E	J	3クラス
	人数	39	39	41	119
	合計	1433	1288	1358	4079
	平方和	57869	50746	52640	161255
	平均	36.744	33.026	33.122	34.277
	標準偏差	11.564	14.508	13.669	13.422
					7.4333
	0-9	1	0	1	2
	10-19	2	5	6	13
	20-29	8	15	10	33
	30-39	14	9	14	37
	40-49	8	6	6	20
	50-59	6	1	2	9
	60-69	0	2	1	3
	70-79	0	0	1	1
	80-89	0	1	0	1
	90-99	0	0	0	0
	100	0	0	0	0

ダイヤモンド合成

今日は PTA 研修委員会主催の「自然科学公開講座」で東海大学の広瀬洋一先生をお呼びしました．先生は１９８６年に「酒からダイヤモンドの合成」で脚光を浴びたダイヤモンド合成の第一人者です．
講座でははじめ世界中の美しい有名なダイヤモンドの写真を見せながら，ダイヤモンドの歴史を紹介してくれました．世界最大のダイヤはインドで発見された ３１００カラットで現在イギリス王冠についている．宝石のブリリアントカットは数学者が「すべての光を反射する」ようにデザインしたということです．
色のついたダイヤは炭素のほかの微量元素が原因．窒素が入ると黄色，ホウ素が入ると青，ニッケルが入ると緑．しかし今世界に６個だけ赤いダイヤがあって，何がダイヤを赤くするのかはまだわかっていないそうだ．

ダイヤモンドの性質は「硬い」「すべての光をよく通す」「どんな液体にも溶けない安定性」その他，工業用として非常に有用な物質だそうです．硬いというこ とでトンネルの岩盤を削る機械に取り付けられたり，研磨剤にも使われている．すべての光をよく通す性質から，ランドサットのレンズは２億円のダイヤを使っ ているそうです．



で，このように有用なダイヤをなんとか合成できないかという研究が昔から行われていました．自然界の ダイヤはすべて地中深く５万気圧以上の高圧で炭素が結晶になったもの．これをGeneral Electric社が１９５５年に５万気圧を実用化し初めてダイヤ合成に成功．ダイヤの合成というものは「高圧」が常識だった．
ところが １９８２年熱フィラメント化学気相合成法という超高圧を使わないで合成する方法が日本で開発された．これはメタンガスを熱フィラメントのエネルギーでメタ ン CH4 の炭素と水素を切り離し，炭素をダイヤモンドの結晶に成長させるというもの．ほとんどの炭素は黒鉛になってしまう．それを除去するために大量の水素を送り 込み，黒鉛をメタンなどの気体にして，ダイヤを残すという方法．水素が少なければ黒鉛ばかりになるし，多すぎるとダイヤモンドも除去されてしまう．そもそ も水素という危険なガスを大量に使うため装置が大掛かりになりすぎる．また，超高圧ではないけれど，１気圧でできたわけでもない．
そこで広瀬先 生は「酸素で黒鉛を除去できないか？」と考えた．当時，「酸素なんか使ったらみんな CO か CO2 になってダイヤも消滅してしまう」と誰も相手にしなかったそうだ．酸素を気体で吹き込めば，炭素はすべて燃えてしまうが，はじめから酸素を持ったアルコー ルを使ってはどうだろうか，というのが先生の独創性．
で，１９８６年「エタノール（酒）と少量の水素でダイヤモンド合成」に成功し，新聞記事に なった．先生としては「１気圧でできた」を強調したかったところが「酒からダイヤ」のほうで有名になったと苦笑していました．本物の酒では「いいちこ」が 一番きれいな結晶になるそうです．ビールは難しいけどできたといってました．

１気圧でできたのなら，中高生でも可能ということで，この 方法は教科書にも掲載されました．経費も数千円程度の実験器具でできるということでしたが，日本全国で実際に実験したのは２０例だけ．というのも「危険な 水素」を使うのがネックになりなかなか実験まで踏み込めないということらしい．そこで水素を使わない方法を研究し，メタノールを使えば水素を使わずダイヤ モンドを合成することが可能であることを突き止めた．
それが教科書に掲載され，とても安く安全にできるようになったそうです．空き瓶を拾ってくれば瓶代はただになるから，今では５００円程度の器具でダイヤが合成できる．


ダイヤモンド合成中 ＞　実験方法

さて，先生はこれらの研究から得た教訓として
１．基礎の大切さ
２．何が原点で何が本質かを見抜く力
３．壁にぶつかったときに原点に戻って考え直すことの重要さ
を学んだと，おっしゃってました．ノーベル賞を受賞した白川教授も「ミスから新しいものができた」わけで，そのときミスの結果を見て「本質を見抜く力」で新しいものが見えた．広瀬先生も酸素は使えないという常識を覆して成功したわけだ．

私もその道の第一人者のエネルギーを見ただけでも，有意義なひと時でした．

最後に広瀬先生のメッセージ「大学進学希望者へ」
２１世紀は「エネルギー」「環境」「医療」「情報」「食料」の分野が重要になると予測しています．したがって，これらの諸問題を解決するためには，若いフ レキシブルな頭を持ち，失敗を恐れない勇気をもって臨んでもらいたいものです．諸外国から，日本は物まねばかりやるという批判があります．私個人は，日本 には独創性が育つ環境が少ないと思いますが，壁にぶつかったときに基本に返ること，自然を先生として学ぶ姿勢を持てば，必ずや，独創的な研究ができるもの と信じています．
本日の講演を聴いた諸君の中から，世界に通用する技術者や研究者が出ることを心から願っています．

広瀬先生の研究室のＨＰはこちら http://bosei.cc.u-tokai.ac.jp/~hirose

ショウジョウバエの交配実験

毎年１年生が生物の授業で，１ヶ月以上にわたる大掛かりな交配実験を行う．
放課後の生物室は飼育観察に訪れる生徒で大盛況，普段の教室内では見ることのできない表情がいい．
ショウジョウバエとはいえ，試験管の中の小さな命は生徒にかかっているわけで，単なる遺伝実験ではなく，「生き物を育てる教育力」というものを生徒の表情に見ることができた．
もちろん無菌で育てられたショウジョウバエはこの寒空に放せば死んでしまう．試験管の中は極楽なのだ．