出典：建築物衛生管理技術者試験令和4年度(2022年)｜空気環境の調整第57問
問題
次のエアロゾル粒子の相当径のうち、幾何相当径に分類されるものはどれか。
(1) 空気力学径
(2) ストークス径
(3) 円等価径
(4) 光散乱径
(5) 電気移動度径
ビル管過去問｜エアロゾル粒径 幾何相当径の種類と分類を解説
この問題は、エアロゾル粒子の「相当径」がどの性質にもとづいて定義されるかを整理できているかを問う問題です。相当径には、粒子の形そのものを基準にしたもの、空気中での運動や沈降のしやすさを基準にしたもの、光や電気的な性質を基準にしたものがあります。正しい選択肢は(3)の円等価径です。これは粒子の投影面積を、同じ面積をもつ円の直径で表したものであり、粒子の幾何学的な形状に着目した幾何相当径に分類されます。一方で、空気力学径やストークス径は粒子の運動特性に関する相当径であり、光散乱径や電気移動度径もそれぞれ光学的性質、電気的移動特性にもとづくため、幾何相当径ではありません。用語が似ているため混同しやすいですが、何を基準に直径へ置き換えているかを意識すると判断しやすくなります。
(1) 空気力学径
不適切です。空気力学径は、粒子が空気中でどのように運動するか、特に沈降や捕集のされやすさを基準にした相当径です。密度1の球形粒子と同じ終末沈降速度を示す粒子の直径として定義され、粒子の空気力学的な挙動を表します。そのため、粒子の形そのものを幾何学的に表す幾何相当径には分類されません。大気汚染や集じん、呼吸器への沈着を考える場面では重要な概念ですが、幾何学的な大きさとは区別して覚える必要があります。
(2) ストークス径
不適切です。ストークス径は、実際の粒子と同じ沈降速度を示す球形粒子の直径として表される相当径です。これは粒子が流体中で受ける抵抗や沈降挙動に着目したものであり、運動学的あるいは動力学的な意味を持つ相当径です。名前から直径そのものの分類に見えやすいですが、実際には幾何学的な寸法ではなく、粒子の運動特性を球に置き換えて表している点が重要です。そのため、幾何相当径には含まれません。
(3) 円等価径
適切です。円等価径は、粒子をある方向から見たときの投影面積と同じ面積をもつ円の直径として表す相当径です。粒子の見かけの形や大きさを幾何学的に表現しているため、幾何相当径に分類されます。幾何相当径は、粒子の形状や寸法そのものを基準にしているのが特徴です。粒子が複雑な形をしていても、面積や体積、長さなどを基準にして単純な図形に置き換えて評価できるため、顕微鏡観察などでも用いられる考え方です。本問では、この「幾何学的な置き換え」に当たるものを選べるかがポイントです。
(4) 光散乱径
不適切です。光散乱径は、粒子が光を散乱する性質にもとづいて定義される相当径です。実際の粒子と同じような光散乱特性を示す球形粒子の直径として扱われるため、光学的相当径の一種と考えられます。粒子の形を直接測っているわけではなく、光との相互作用から見かけの大きさを評価しているため、幾何相当径ではありません。見た目の大きさと似た印象を受けるかもしれませんが、評価の基準が「形」ではなく「光の散乱」である点を押さえることが大切です。
(5) 電気移動度径
不適切です。電気移動度径は、電場中で粒子がどの程度移動するかという電気的な性質にもとづいて定義される相当径です。荷電粒子が電場中を移動するときの移動しやすさを、ある球形粒子の直径に置き換えて表しています。これは粒子の幾何学的形状を直接示すものではなく、電気移動度という機能的な特性を基準にした相当径です。そのため、幾何相当径には分類されません。粒子計測の分野では重要ですが、分類上は幾何学的な相当径とは別物です。
この問題で覚えるポイント
相当径とは、不規則な形の粒子を、ある基準において同等とみなせる単純な粒子の直径で表したものです。試験では、何を基準にして「同等」とみなしているかを見抜くことが重要です。幾何相当径は、長さ、面積、体積など粒子の形状そのものに着目した分類で、円等価径のように幾何学的な置き換えで表されます。これに対して、空気力学径やストークス径は沈降や運動のしやすさに着目した動力学的な相当径です。光散乱径は光学的性質、電気移動度径は電気的性質による相当径です。つまり、形を基準にするものが幾何相当径、運動や光、電気などのふるまいを基準にするものは別分類と整理すると、同種の問題にも対応しやすくなります。
ひっかけポイント
この問題のひっかけは、「どれも粒子の大きさを表す直径である」という共通点によって、すべて同じ仲間に見えてしまう点にあります。特に「空気力学径」や「ストークス径」は直径という言葉が入っているため、形の大きさそのものを表しているように感じやすいですが、実際には粒子の運動特性をもとにした置き換えです。また、「光散乱径」も見た目の大きさに近い印象を与えるため、幾何学的な大きさと誤認しやすいです。試験では、用語の名前ではなく、その直径が何を基準に定義されたものかを問う形で出題されます。「形を表すのか、ふるまいを表すのか」という視点で整理しておくと、似た用語が並んでも迷いにくくなります。
