76AM71|第76回 診療放射線技師国家試験 過去問
運動エネルギーが 1 GeV の 12C 原子核を 1 nA のビーム強度で 30 秒間流した。 12C 原子核によって運ばれた総エネルギー[J]に最も近いのはどれか。
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正解: 3
正答
3
この問題のポイント
この問題では、ビーム電流から流れた 12C 原子核の個数を求め、1 個あたりの運動エネルギーを掛けて総エネルギーを計算します。
重要なのは、12C 原子核の電荷は +6eであることです。
電流 1 nA を、1 個の電荷 e で割るのではなく、6eで割って原子核の個数を求めます。
解説
12C 原子核は、陽子を 6 個もつ原子核です。
したがって、12C 原子核 1 個の電荷は、
6e
です。
ここで、電気素量を
e = 1.6 × 10^-19 C
とします。
1.30 秒間に流れた総電荷量を求める
ビーム電流は 1 nA です。
1 nA = 1 × 10^-9 A
電流は 1 秒あたりに流れる電荷量なので、30 秒間の総電荷量 Q は、
Q = It
Q = 1 × 10^-9 × 30
Q = 3.0 × 10^-8 C
2.12C 原子核の個数を求める
12C 原子核 1 個の電荷は 6e なので、
6e = 6 × 1.6 × 10^-19
6e = 9.6 × 10^-19 C
したがって、流れた 12C 原子核の個数 N は、
N = Q ÷ 6e
N = 3.0 × 10^-8 ÷ 9.6 × 10^-19
N ≒ 3.1 × 10^10 個
3.1 個あたりの運動エネルギーを J に変換する
1 個の 12C 原子核の運動エネルギーは 1 GeV です。
1 GeV = 10^9 eV
1 eV = 1.6 × 10^-19 J
したがって、
1 GeV = 10^9 × 1.6 × 10^-19
1 GeV = 1.6 × 10^-10 J
4.総エネルギーを求める
総エネルギー E は、
E = N × 1 個あたりの運動エネルギー
E = 3.1 × 10^10 × 1.6 × 10^-10
E ≒ 5.0 J
したがって、最も近いのは 5 Jです。
ひっかけポイント
12C 原子核は電荷が +6e です。
電流から粒子数を求めるときに e で割ってしまうと、粒子数を 6 倍に見積もり、総エネルギーも 6 倍の約 30 J になってしまいます。
選択肢の確認
1.誤り。
1 J は、12C 原子核の電荷を考慮して計算した総エネルギーより小さすぎます。
2.誤り。
2 J も計算結果の約 5 J より小さい値です。
3.正しい。
12C 原子核 1 個の電荷を 6e として粒子数を求めると、総エネルギーは約 5 J になります。
4.誤り。
10 J は、粒子数またはエネルギー換算を過大に見積もった値です。
5.誤り。
30 J は、12C 原子核の電荷を e として計算してしまった場合に近い値です。12C 原子核は +6e なので、粒子数を求めるときは 6e で割る必要があります。
覚えるポイント
- 12C 原子核の電荷は +6eです。
- 電流から粒子数を求めるときは、N = It ÷ q を使います。
- 1 eV = 1.6 × 10^-19 Jです。
- 1 GeV = 1.6 × 10^-10 Jです。
- この問題では、総エネルギーは約 5 Jになります。