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原子の問題

難易度 1教科書の例題レベル高校物理 原子

X 線管で、陰極から出た電子を電圧 で加速し、陽極(ターゲット)に衝突させて X 線を発生させた。陰極を出るときの電子の速さは とみなす。発生した連続 X 線のスペクトルを調べると、最短波長は であった。

加速電圧 は何 V か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、プランク定数を 、真空中の光の速さを 、電気素量を とする。

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(46 技能)
算数中学高校大学大学院

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右端(太枠)がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る(前提が先)
  1. 音の伝わり方と大きさ・高さ
  2. 音の振動数と波形
  3. 小数の四則計算
  4. 分数のたし算・ひき算
  5. 分数のかけ算・わり算
  6. 小数と分数のまじった計算
  7. 逆算(□ を求める)
  8. 正負の数の加法・減法
  9. 四則の混じった計算の順序
  10. 正負の数の乗除・累乗と四則混合
  11. 分配法則を使った計算のくふう
  12. 文字式の計算(同類項・分配法則)
  13. 1 次方程式の解き方
  14. 比例・反比例の式とグラフ
  15. 光子のエネルギーと運動量
  16. 三角形・四角形の面積
  17. 約数の見つけ方
  18. 素因数分解と約数の個数
  19. 平方根の意味と根号の簡単化
  20. 三平方の定理
  21. 特別な直角三角形の辺の比
  22. 最大公約数と最小公倍数
  23. 比の性質と簡単な比
  24. 三角形の角の大きさ
  25. 相似な三角形と長さの比
  26. 対頂角と平行線の同位角・錯角
  27. 三角形の相似条件と対応する辺の長さ
  28. 三角比の定義と値
  29. 三角形の外角と角の組み合わせ
  30. 二等辺三角形の角
  31. 平行四辺形と特別な四角形の性質
  32. 乗法公式による展開
  33. 折り返した図形の角と長さ
  34. 三平方の定理と平面図形
  35. ベクトルの演算と成分
  36. 重力と力の大きさ
  37. 2 力のつり合いと作用・反作用
  38. 力の種類とはたらき
  39. 重力・垂直抗力・張力の性質
  40. 慣性の法則と力のつり合い
  41. 力の分解と質点のつり合い
  42. 静止摩擦力・最大摩擦力・動摩擦力
  43. 静止摩擦力と動摩擦力
  44. 仕事
  45. 運動エネルギーと仕事の関係
  46. 連続 X 線の最短波長

ヒント

行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。

ヒント 1

技能「連続 X 線の最短波長」を使います。最短波長の X 線は、電子の運動エネルギーがすべて 1 個の X 線光子になったときに出ます。

ヒント 2

加速された電子の運動エネルギーは 、光子のエネルギーは です。 を について解きましょう。

ヒント 3

で、、 です。あとは割り算をして有効数字 2 桁に丸めます。

答えと解説

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解説を読む

考え方

電圧 で加速された電子(電荷の大きさ )は、電場から仕事 をされます。初速度は なので、陽極に衝突する直前の運動エネルギーは

です。

連続 X 線は、電子が陽極内で減速するときに、失った運動エネルギーの一部または全部が X 線光子 1 個のエネルギーになって出てくるものです。光子のエネルギーは なので、波長が最も短い X 線は、電子の運動エネルギー がすべて 1 個の光子のエネルギーになったときに出ます。よって

が成り立ちます。

計算

この式を について解くと

となります。分子は

分母は

です。したがって

となります。

有効数字 2 桁に丸めると です。

別解

電子が加速電圧 で得る運動エネルギーは である。連続X線の最短波長 は、この運動エネルギーがすべて1個の光子のエネルギーに変わるときに対応する。

より 。

数値を代入する。
分子:
分母:

V。

有効数字2桁では V。

検算: V のとき m で、与えられた値と一致する。

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