真空中において,電子の運動エネルギーが400 eV のときの速さが1.19×10⁷ m/s であった。電子の運動エネルギ…
理論 第12問
真空中において,電子の運動エネルギーが400 eV のときの速さが1.19×10⁷ m/s であった。電子の運動エネルギーが100 eV のときの速さ[m/s]の値として,最も近いものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。ただし,電子の相対性理論効果は無視するものとする。
正答 (2)
正答は (2)。
【使う関係式】
相対性理論の効果を無視してよい範囲では、電子の運動エネルギーK と速さv の関係は
K = (1 ÷ 2) × m × v の2乗
です。ここでm は電子の質量です。これをv について解くと
v = (2 × K ÷ m) の平方根
となり、速さは運動エネルギーの平方根に比例することが分かります。本問はこの比例関係だけで解けるようにできており、電子の質量や電気素量の値を覚えていなくても答えが出ます。
【比を使った解き方】
運動エネルギーが400eV のときの速さをv1、100eV のときの速さをv2 とすると
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v2 ÷ v1 = (K2 ÷ K1) の平方根
= (100 ÷ 400) の平方根
= (1 ÷ 4) の平方根
= 1 ÷ 2
すなわち、エネルギーが4分の1になると速さは2分の1になります。題意より v1 = 1.19 × 10の7乗 [m/s] ですから
v2 = 1.19 × 10の7乗 ÷ 2
= 0.595 × 10の7乗
= 5.95 × 10の6乗 [m/s]
したがって 5.95 × 10の6乗 m/s を示す (2) が正答です。
【値そのものからの検算】
電気素量を1.602 × 10のマイナス19乗 C、電子の質量を9.109 × 10のマイナス31乗 kg として、100eV を仕事の単位に直すと
K = 100 × 1.602 × 10のマイナス19乗
= 1.602 × 10のマイナス17乗 [J]
これを式に入れると
v の2乗 = 2 × 1.602 × 10のマイナス17乗 ÷ 9.109 × 10のマイナス31乗
= 3.517 × 10の13乗
v = 5.93 × 10の6乗 [m/s]
選択肢の 5.95 × 10の6乗 とよく一致します。ついでに400eV のときを計算すると 1.19 × 10の7乗 m/s となり、問題文に与えられた値とも合致しますから、比を用いた計算が正しかったと確認できます。
【注意点】
エネルギーが4分の1だから速さも4分の1、としてしまうと2.98 × 10の6乗 という選択肢に引き込まれます。速さはエネルギーの平方根に比例する、という対応を必ず押さえてください。
出典:令和4年度上期第三種電気主任技術者 理論科目 問12(一般財団法人 電気技術者試験センター 公表)出典元ページ
最終更新日
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