自然界では、いろいろな「力」が働いています。
でも、実はそれらすべてをたった4種類の力に分けて説明できるって知っていましたか？

ここでは、そんな「自然界の4つの力」について解説していきます。

それぞれの力がどこで働いていて、何をしているのか？
それがわかれば、目に見えない物理の世界も、ちょっと身近に感じられるはずです。

さあ、宇宙を支配する4つの力の正体を、一緒にのぞいていきましょう。

4つの力

自然界に存在する力を分類すると以下の4つになります。

• 強い力（色の力）
• 電磁気力
• 弱い力
• 重力

我々の生活する範囲では、「電磁気力」と「重力」しか感じることはありません。
「強い力」と「弱い力」は原子レベルのサイズ感で働いています。

また「強い力」「弱い力」という名称は、電磁気力に比べて強いか弱いかを示しています。
このことから、電磁気力が基準とされていることが分かりますね。

それぞれ軽～く見ていきましょう。
あくまで軽くです。なんとなく分かれば良いんです。

強い力

強い力はクォーク同士をくっつけて陽子や中性子を作ったり、陽子や中性子をくっつけて原子核を作ったりします。つまり、原子核の内部で働いている力です。

感の良い方はお気付きですね？
「強い力」こそが「核力」なのです。

強い力の大きさは、電磁気力を基準とすると、約100倍です。

核子が「中間子」を渡したり受け取ったりすることで、核子同士は結合しています。
その中間子を伝達するものが「グルーオン」と考えられています。

また、強い力は「強い相互作用」という表現が使われることもあります。
更に、クォーク同士に働く場合、「色の力」という別称で呼ばれることもあります。

「強い相互作用」や「色の力」という表現は国家試験ではあまり登場しません。
「強い力」＝「核力」と認識しておいてください。

電磁気力

電磁気力は電気の力と磁気の力の総称です。
電気の力は「クーロン力」とも言われます。
磁気の力は「磁気力」とも言います。

電気にも磁気にも正（＋）と負（－）があります。
磁気の場合はN極が正、S極を負としています。
同じ符号のときは反発し合い、異なる符号のときは引き合います。

たとえば・・・

• 電気の＋と電気の－は引き合います。
• 電気の－と電気の－は反発し合います。
• 磁気の＋と磁気の－は引き合います。

ここまでくると、「じゃ、電気の＋と磁気の＋は？」と疑問に感じた方もいるでしょう。

気になりますね。単純な引き合う・反発し合うという関係ではなくなります。
それはA07：ローレンツ力とは？磁場で荷電粒子が円運動する理由を図解で理解を参照してください。

電磁気力を媒介するものは我々のよく知る「光子」です。

弱い力

弱い力は素粒子の種類を変える力です。

ちょっとピンときませんよね。

弱い力は壊変に関係する力です。
特にβ壊変に密接に関係しています。

放物の教科書レベルでは不可思議な現象に思われるβ^＋壊変を例に説明してみましょう。

β^＋壊変に見る「弱い力」

※　ここの内容は放射線技師国家試験の出題範囲外です。
※　国家試験でここまでの知識は問われたことはありませんし、理解できなくても問題ありませんのでご安心下さい。

謎多きβ^＋壊変をおさらいしておきましょう。

PETでも利用される質量数11の炭素（¹¹C）で考えてみましょう。

この核種は陽子6個、中性子5個で構成されています。

β^＋壊変が起こると、1個の陽子が中性子に変化します。

そうなると、陽子5個、中性子6個のホウ素（¹¹B）になります。

このときに陽電子（e⁺）とニュートリノ（ν）が放出されます。

β^＋壊変の流れはこんな感じでしたね。
覚えてましたか？

さて、ではなぜβ^＋壊変に謎が多いのか・・・

それは教科書で見られる「1個の陽子が中性子に変化して」という部分が自然の摂理に反しているからです。

どういうこと？普通じゃないの？

と思う方が多いと思います。

それでは、深掘りしていきましょう。
それぞれの質量を思い出してみてください。

陽子の質量は電子の質量（9.1×10^-31kg）の1836倍で1.672×10^-27kgです。
中性子の質量は電子の質量の1839倍で1.675×10^-27kgとなります。

微々たる差ですが、陽子の方が質量が軽いのです。

そうなると、β^＋壊変は「軽いものが壊れているのにも関わらず、重いものができあがる」という、なんとも不可思議な現象であることが分かるかと思います。
自然の摂理に反していると思いませんか？

汚い話、便を出したにも関わらず、出す前より体重が増えている状況と同じです。
体重増加に歯止めのかからない管理人としては由々しき事態です。

では、なぜこんな現象が起こるのか？
そこで出てくるのが、「クォーク」と弱い力を媒介する「ウィークボソン（Wボソン）」です。

教科書では「陽子が中性子に変化」となっていますが、実際は陽子の中のクォークが変化しています。

図の方が分かりやすいかもしれませんね。

陽子の構成をクォークで表すと、
uudとなります。

u：アップクォーク
d：ダウンクォーク

uがdとW⁺（ウィークボソン）に変化します。この変化の際に作用するのが弱い力です。

その後、W⁺がe⁺とνに分かれて、放出されていきます。

すると、陽子内のクォークの構成がuddとなり、中性子に変わるのです。

でもでも、国家試験でここまでの知識は問われたことはありませんので、理解しきれなくても大丈夫です。

安心して下さい！出ませんよ。

※β^－壊変にしても同様のプロセスで生じます。
※なお、弱い力には「Zボソン」というもう一つの媒介粒子も存在しますが、放射線に関係する現象では主にWボソンが関与します。

重力

重力は質量をもつすべての物質の間に働く引き合う力のことです。

「万有引力」なんて聞いたことありませんか？

媒介するものはヒッグス粒子ですが、放物ではそこまで出てきません。

まとめ

この記事では、自然界のすべての現象を説明できる4つの基本的な力について見てきました。
それぞれの力がどこで働き、何を媒介として、どれくらいの強さを持っているのかが整理できましたね。
振り返ってまとめておきましょう。

• 強い力：クォークどうしを結びつける、最も強力な力。媒介粒子はグルーオン。
• 電磁気力：電気と磁気をつかさどる力。光子（フォトン）が仲介する。
• 弱い力：素粒子の種類を変える力。Wボソン・Zボソンが関与。
• 重力：質量を持つもの同士を引き寄せる力。ヒッグス粒子との関連もあるが、医療では扱わない。

表形式でもまとめておきましょう。

たなまる

この4つの力さえ押さえておけば、あらゆる物理現象の「土台」が見えてきますよ。
それぞれの役割をイメージでつかんでおくことがポイントです。

この記事を書いた人

たなまる
詳しいプロフィールはこちら

診療放射線技師・医療系専門学校専任教員。

都内大学病院で9年間勤務後、
2015年より医療系専門学校の専任教員として
放射線物理学・核医学・医用工学・放射線計測学・放射化学
などの講義を担当しています。

国家試験対策用ワークブックの制作や学習支援サイト「勉強嫌いの放物」の運営を行っています。

保有資格：
・診療放射線技師
・第1種放射線取扱主任者
・作業環境測定士
・衛生工学衛生管理者
ほか、放射線関連国家資格を保有

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• A18：核力ってなに？荷電独立性までやさしく解説

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• Wikipedia: 基本相互作用

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皆さんを悩ませる用語の一つに「散乱」があります。

なにがそんなに悩ませるかって、散乱にはたくさんの種類があるからです。

そして、なおかつ
・・・この理由は我々教える側にも責任があると思うのですが・・・
初めて「〇〇散乱」と聞く皆さんに対して、違いを説明しないまま用語を使ってしまっているケースが見受けられます。

私自身、初登場の用語には必ず解説を付けるようにしていますが、有名な用語ほど、うっかり解説を忘れてしまいがちです。

そんなときは、講義を止めてでも解説を求めましょう。
それが講義を受ける側の権利です。
そして、それに対して解説をするのが講師の義務です。

そんな〇〇散乱の違いを把握して授業・講義に取り組んでいただければ、講義中での理解度に貢献できるのではないか？
ということで、ご紹介したいと思います。

たなまる

万が一、私が講義中に解説を忘れた場合の保険としても機能してもらいましょう。

そもそも散乱とは？

散乱・・・中学校だか高校だかで出てきたような記憶があります。

40代の私の記憶ですから、甚だ怪しいです。

こういうときは、辞書に限ります。
引用してみましょう。

引用：

波動または粒子線が多数の小物体、分子、原子、電子などと衝突し、進行方向を変えること。

『医用放射線辞典　第5版』　（医用放射線辞典編集委員会　編）　

やはり辞書。分かりやすく説明してくれています。
この辞書、私が学生の頃から愛用しているシリーズですが、もう第5版なんですね。
自宅にあるのは確か第3版だったかな・・・

もっと要約すると、

散乱とは放射線が何かに当たって、向きを変えて飛んで行くこと。

という感じで捉えることができます。

散乱を分類していこう

まずは大枠から攻めていきましょう。

散乱現象の分類には運動エネルギーの保存状況や散乱の角度など様々な要素があります。

ここでは、運動エネルギーの保存状況を主軸に分類していきましょう。

運動エネルギーの保存状況による分類

散乱前後で運動エネルギー保存則が成立するか否かで分類することができます。

そこからさらに運動エネルギーの変化で細かく分類できます。

樹形図で示してみました。

まずは散乱前後で運動エネルギー保存則が成立するか否かです。

成立するならば、「弾性散乱」となり、成立しないのならば、「非弾性散乱」となります。

運動エネルギー保存則の成立とは散乱前後の運動エネルギーの合計値が一致するかどうかです。

一致すれば成立となります。

弾性散乱の場合

散乱（衝突）前、入射放射線の運動エネルギーは10、粒子は停止しているので0とします。

散乱後、入射放射線は散乱線となり、その運動エネルギーは7、粒子は運動エネルギー3をもって飛んで行くとします。

散乱前の運動エネルギーの合計値10
散乱後の運動エネルギーの合計値10

散乱前後の運動エネルギーの合計値は共に10で一致しています。

これが弾性散乱です。

非弾性散乱の場合

散乱前は先ほどと同様。入射放射線10、粒子は0です。

散乱後、入射放射線は散乱線となり、その運動エネルギーは5、粒子は運動エネルギー2をもって飛んで行くとします。

散乱前の運動エネルギーの合計値10
散乱後の運動エネルギーの合計値7

散乱前後の運動エネルギーの合計値が10と7で一致していません。

失った3は粒子の励起などに使われます。

こうなると、非弾性散乱となります。

運動エネルギー変化による弾性散乱の分類

弾性散乱はさらに分類することができます。

入射放射線の運動エネルギーが散乱前後で変化するか否かで分かれます。

入射放射線の運動エネルギーが変化しないときは「干渉性散乱」、運動エネルギーが変化するときは「非干渉性散乱」となります。

干渉性散乱の場合

入射放射線の運動エネルギー10
散乱放射線の運動エネルギー10

となり、運動エネルギーに変化がなく、進行方向のみが変化しています。

また、散乱前後の運動エネルギーの合計値は

散乱前の運動エネルギーの合計値10
散乱後の運動エネルギーの合計値10

となり、弾性散乱であることも分かると思います。

つまり、「干渉性散乱は弾性散乱のうち、入射放射線の運動エネルギーが変化しないもの」と説明できます。

非干渉性散乱の場合

入射放射線の運動エネルギー10
散乱放射線の運動エネルギー7

となり、運動エネルギーを変化させつつ、進行方向も変化しています。

また、散乱前後の運動エネルギーの合計値は

散乱前の運動エネルギーの合計値10
散乱後の運動エネルギーの合計値10

となり、弾性散乱であることも分かると思います。

つまり、「非干渉性散乱は弾性散乱のうち、入射放射線の運動エネルギーが変化するもの」と説明できます。

実際の散乱現象を分類してみると・・・

よく見かける散乱現象を分類してみましょう。

レイリー散乱

レイリー散乱は光子（X線、γ線）と軌道電子との散乱です。

このとき、散乱光子のエネルギーは入射光子と等しくなります。

つまり、弾性散乱のなかの干渉性散乱に分類されます。

コンプトン散乱

コンプトン散乱は光子（X線、γ線）と電子（軌道電子でも自由電子でも）との散乱です。

このとき、散乱光子のエネルギーは入射光子とは異なってきます。
※等しい場合もあります。

図の場合、軌道電子を電離させるためには結合エネルギーを切断する必要があります。

切断する分のエネルギーは消費されてしまいますので、エネルギー保存則が成立しないことになります。

つまり、コンプトン散乱は非弾性散乱となります。

がしかし、切断に要するエネルギーが入射光子のエネルギーに比べて、無視できるほど小さい場合、エネルギー保存則が成立するとみなし、弾性散乱として扱って差し支えありません。

国家試験ではコンプトン散乱は・・・

弾性散乱として

扱います。

入射光子と散乱光子でエネルギーは異なってきますので、弾性散乱の中の非干渉性散乱に分類されます。

※主任者試験では軌道電子の結合エネルギーを無視しないので、厳密に非弾性散乱として扱いますので、注意が必要です。

まとめ

この記事では、放射線の「散乱」について、分類の基準から代表的な現象（レイリー散乱・コンプトン散乱）までを丁寧に確認してきました。
最後に、内容を振り返って整理しておきましょう。

• 散乱とは、放射線（光子など）が何かに当たって進行方向を変える現象
• 散乱の分類には、「運動エネルギーの保存性」と「エネルギー変化の有無」がある
• 運動エネルギーが保存される散乱が「弾性散乱」、保存されないものが「非弾性散乱」
• 弾性散乱のうち、**入射放射線のエネルギーが変わらないものを「干渉性散乱」**と呼ぶ
• 代表的な散乱現象として、
  • レイリー散乱：弾性・干渉性散乱に分類
  • コンプトン散乱：基本的には非弾性散乱（※試験では弾性・非干渉性として扱われることも）
• 国家試験では、コンプトン散乱は弾性・非干渉性散乱として出題されることが多い

たなまる

散乱は分類がややこしいけれど、「運動エネルギーが保存されるか？」「入射線のエネルギーが変わるか？」という2点に注目すれば、かなり整理しやすくなりますよ！

この記事を書いた人

たなまる
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診療放射線技師・医療系専門学校専任教員。

都内大学病院で9年間勤務後、
2015年より医療系専門学校の専任教員として
放射線物理学・核医学・医用工学・放射線計測学・放射化学
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国家試験対策用ワークブックの制作や学習支援サイト「勉強嫌いの放物」の運営を行っています。

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放射線技師国家試験でもたびたび登場する「電離」と「励起」。
どちらも電子にエネルギーが加わる現象なのに、違いを説明しようとすると意外と曖昧になっていませんか？

この記事では、「電離」と「励起」の違いを図でイメージしながら整理し、電子の動きとエネルギーの観点からしっかり理解できるように解説していきます。

それぞれの現象が起こる条件や、国家試験での出題ポイントもあわせて確認することで、用語の混同を防ぎ、放射線物理の基礎力を確実に強化していきましょう。

電離

簡単に言えば、電離とは「軌道電子が原子外に放出される現象」です。

図の場合、左から入ってきた入射放射線（波線なので光子（X線やガンマ線））によって軌道電子（●）が原子の外側まで吹っ飛ばされています。

「原子の外まで」という部分がポイントになります。

入射放射線の部分は波線なら光子、直線であれば電子やα線などの粒子線を示しています（今回は波線）。
実は軌道電子を弾き飛ばすのは何でも良いのです。
光子でも電子線でも何でもOK！
さらに言えば、放射線じゃなくたって良いんです。
熱でも電気的にでも軌道電子が原子外に出ていく現象をすべてひっくるめて「電離」となります。

励起

続いて励起も見ていきましょう。
入射放射線が軌道電子にぶつかるまでは電離と同じです。
では、違いはどこなのか？
軌道電子がどこまで飛んでいくのか？という部分が違います。
励起の場合は、軌道電子が飛ばされるものの、原子の外側までは移動しません。
元々あった軌道から、外側の軌道に移動します。
この軌道を移動する現象を「遷移」と言います。読みは「せんい」です。
遷移のなかでも、内側の軌道から外側の軌道に遷移する現象を特別に「励起」と言います。
つまり励起とは「軌道電子が外側の軌道に移動する現象」ということができます。

電離と励起の違いは？

電離と励起の違いは分かりましたか？

それでは、電離についてもう少し詳しく見ていきましょう。

電離を深掘りしていこう

電離という現象そのものは、ここまででイメージできてきたのではないでしょうか。
ここからは、もう少し突っ込んで見ていきましょう。

実はこの「電離」という現象、シチュエーションによって名前が変わることがあります。
この点が、放射線物理を難しく感じさせる理由のひとつです。しかも、教科書ではあまり触れられない話でもあります。

どういうことかというと——
たとえ電子が原子の外に飛び出す「電離」であっても、それが起きた状況や原因によって、違う名前がついてしまうのです。

たとえば、次のような現象も、すべて「電離」の一種です：

• 「光電効果」：入射光子が電子にぶつかり、自らは消滅してしまう現象
• 「コンプトン効果（コンプトン散乱）」：入射光子が電子にぶつかった後、一部のエネルギーを残して散乱光子として飛び出す現象

どちらも、「光子による電離」として分類されます。

先ほど紹介した図は、このうちの「光電効果」の例にあたります。

光子による電離

放射線が電子を弾き飛ばす「電離」は、光子によっても起こる現象です。
X線やγ線といった高エネルギーの光子が電子にぶつかり、エネルギーを与えることで、電子が原子の外へ飛び出す――これが光子による電離です。

一口に光子といっても、そのふるまいはさまざま。
ここでは、代表的な2つの電離現象「光電効果」と「コンプトン効果」を取り上げて、それぞれの違いと特徴を見ていきましょう。

光電効果

光子による電離の中でも、代表的な現象が「光電効果」です。
詳しくは光電効果のページで紹介しますが、ここではポイントを絞って説明します。

図の中には、各エネルギーの関係を示しました。
入射する光子のエネルギーを E_γ、軌道電子の結合エネルギーを Φ（ファイ）、電離されて飛び出す電子（電離電子）の運動エネルギーを E_e とします。

軌道電子は原子核に対して、Φという結合エネルギーで固定されています。
この電子を原子の外へ弾き飛ばすには、入射光子がΦ以上のエネルギーを持っている必要があります。

つまり、光電効果が起きる条件は
$E_γ \geq Φ$
となります。

そして、電離が成立したときには、光子のエネルギー Eγ から結合エネルギー Φ を引いた分が、飛び出す電子の運動エネルギーとなります。
このときの関係式は：

$E_e=E_γ -Φ$

となります。

この式から読み取ってほしいのは、「電子が受け取ったエネルギーのうち、結合エネルギーΦの分は消費されてしまう」ということです。

このように、一部のエネルギーが内部で使われてしまう現象は、「非弾性散乱」と表現されます。
この概念については、放射線の散乱とは？｜レイリー散乱・コンプトン散乱などの分類と違いをわかりやすく解説で改めて解説します。

図を使って、光電効果のエネルギーの流れを数値で見てみましょう。
※エネルギーの単位は今回は気にせず、概念として捉えてください。

たとえば、入射光子のエネルギーが100だったとします。
このエネルギーは、すべて電子に渡されます。

（※光子は自分のエネルギーを使い果たすと消滅します）

電子はこのうちの20を原子との結びつきを断ち切るために使い、残りの80を運動エネルギーとして持って飛び出していきます。

このように、入射光子のエネルギーは「結合を断ち切るためのエネルギー」と「電子が持つ運動エネルギー」に分かれて使われます。

これを数式で表記すると以下のようになります。

$$
\begin{aligned}
E_e&=E_γ -Φ\\[6pt]
&=100-20\\[6pt]
&=80
\end{aligned}
$$

コンプトン効果

「コンプトン効果」は、「光電効果」と並んで非常に有名な光子による電離現象のひとつです。
放射線物理の世界では、この2つは双璧をなす重要現象として必ずセットで学ぶことになります。

では、両者のちがいはどこにあるのでしょうか？

一番のポイントは、入射光子が“消滅するか・残るか”の違いです。

光電効果では、光子は軌道電子にぶつかった瞬間にすべてのエネルギーを渡し、自らは消滅します。
一方、コンプトン効果では、光子の一部のエネルギーだけが電子に渡され、光子自身は残ったまま“散乱光子”として飛び出していくのです。

このとき、軌道電子は弾き飛ばされて「電離電子（反跳電子）」となり、散乱光子とともに原子を飛び出します。
つまり、1個の光子から「2つの粒子（電子＋光子）」が飛び出す現象とも言えます。

このようにエネルギーを「分け合って飛び出す」タイプの電離は、光子のエネルギーが高いときに起きやすいことも特徴です。

光子のエネルギーが中程度だと光電効果、
高エネルギーだとコンプトン効果、
さらに高いと対生成……というのが典型的な流れですね。

このコンプトン効果も「光子による電離」の一種です。

粒子線による電離

電離を引き起こすのは、光子だけではありません。
「電子線」や「α線」のように、質量と電荷をもった粒子が物質にぶつかることでも、電子を弾き飛ばすことができます。

このような現象は「粒子線による電離」と呼ばれます。

光子とは違い、粒子線は「実体を持った粒子」が飛んできて、電子に直接衝突することでエネルギーを伝えるのが特徴です。
まさに「ぶつかって弾き飛ばす」タイプの電離です。

ここでは粒子線の中でも代表的な「電子線」と「重荷電粒子線」に分けて、それぞれの電離の特徴を見ていきましょう。

電子による電離

電子による電離は、イメージとしてコンプトン効果に近いです。
主な電離方法は衝突です。衝突して弾き飛ばします。
入射電子が軌道電子を原子外まで弾き飛ばすという流れです。
このとき、入射電子が消滅することはなく、散乱電子として残存します。

エネルギーの分配を考えてみると、入射電子の運動エネルギーが電離電子や散乱電子の運動エネルギーに分配されます。その際、結合エネルギーの切断も考慮しなくてはなりません。
式で表すとこうなります。

$$
\color{#B22222}{
E_1=E_e+E_2+φ
}$$

光電効果と同様に、電離の際は「結合エネルギーの切断」が付いて回ります。

重荷電粒子による電離

重荷電粒子の電離は少し事情が異なります。
まさにカリスマのごとく周りの軌道電子を誘惑して電離していきます。

重荷電粒子による電離は衝突がメインとはなりません。
重荷電粒子の場合はクーロン力による電離が主となります。
正（＋）の電荷を持ち、質量も大きい重荷電粒子は、原子の間を我が物顔でまっすぐに突き進んでいきます。
負（－）の電荷を持ち、質量の軽い軌道電子は重荷電粒子の電荷に引き寄せられて根こそぎ電離されてしまします。
だから、重荷電粒子の電離量は多くなるのです。

特に重荷電粒子のエネルギーが小さくなって速度が落ちてくる（止まりかける）と、軌道電子に対してじっくりとクーロン力を効かせるようになります。
すると、軌道電子がより多く電離されることになり、これがブラッグピークの形成に繋がっていきます。

まとめ

この記事では、「電離」と「励起」のちがいを中心に、さまざまな電離現象について見てきました。

• 励起は、電子がエネルギーを受け取って外に飛び出さず、軌道の中で移動するだけの現象でした。
• 一方の電離は、電子が原子から完全に飛び出す現象で、光子や粒子線の衝突などによって引き起こされます。

また、電離は状況によって名前が変わり、

• 光子によるものは「光電効果」や「コンプトン効果」
• 粒子線によるものは「電子線電離」や「重粒子線電離」

など、さまざまなバリエーションがあることも学びましたね。

こうした違いを理解しておくことで、国家試験で問われる細かな用語の意味や条件の違いにも対応できるようになります。

たなまる

電離は、電子が原子の「外」に出ていく現象。
励起は、電子が「中」で移動するだけ。
これがわかれば、半分クリアだよ！が原子外までいきます。
励起は原子内で留まります。

この記事を書いた人

たなまる
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都内大学病院で9年間勤務後、
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• C01：X線の定義と種類

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• ATOMICA「電離と励起」関連項目（日本原子力研究開発機構）

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