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。
それはこちらを参照してください。

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2025.07.26

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が、詳しくは壊変の項をご参照ください。

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

表にまとめるとこんな感じになります。

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外部リンク

公益社団法人日本天文学会さんの運営されている天文学辞典
4つの力について、優しく解説してくれています。

Wikipedia: 基本相互作用
さすがのwikiです。分かりやすい。

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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

たなまる

散乱の分類が直接国家試験に出題されることはないと思いますが、放物を理解するうえでは、知っているとお得な知識です。
分類は
①　エネルギー保存則が成立するか。
②　入射放射線のエネルギーが変化するか。
ここで判断してください。

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外部リンク

▼ 初学者にもわかりやすい参考リンク

• 熊本大学 大学院保健学部 紀要 (PDF)
  → コンプトン散乱による二次電子発生等、臨床との関連も含めて学びやすい構成です。

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なんとなく講義で聞いたことあるな。
どんな現象だっけ？

となっている方は、復習必須ですよ。

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ご理解いただけたことでしょう。
今度はもう少し詳しく見ていきましょう。

実は「電離」という現象は色々と名前を変えます。
この辺りが放物を難しくさせている要因かと思いますが、皆さんはどうでしょうか？
しかも、教科書などはこの事実に触れてくれません。

どういうことなの？

電離は電離でも、シチュエーションごとに名称が変化するんです。

例えば「光電効果」や「コンプトン効果・コンプトン散乱」も立派な電離現象の一つです。
両方とも「光子による電離現象」の一つです。

入射光子が消滅すれば「光電効果」になるし、入射光子が消滅せずに散乱光子として残るのであれば「コンプトン効果」になります。

先ほどの図は「光電効果」の図ということになります。

光子による電離

光子による電離はいくつもありますが、ここでは代表的な現象をあげてみます。

光電効果

光電効果として見ていきましょう。
詳しくは光電効果のページでご紹介しますので、ここは簡単に。

図中にエネルギーを示しました。
入射放射線（今は入射光子）のエネルギーをE_γ、軌道電子の結合エネルギーをΦ、電離された軌道電子（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Φという結合エネルギーで固定されています。そんな軌道電子の結合を断ち切って電離するために、入射放射線（入射光子）は結合エネルギー以上のエネルギーを持っている必要があります。
つまり、電離を起こすためには E_γ ≧ Φ の条件を満たす必要があります。
また、めでたく電離された軌道電子は、E_γ と Φ の差の分を運動エネルギーとして飛んでいきます。
つまり、E_e = E_γ － Φ となります。

この式からは、「電子が受け取ったエネルギーのうち、結合エネルギー分は消費して無くなってしまいますよ。」ということを読み取らなくてはなりません。

「エネルギーの消費」がある場合を非弾性散乱と表現することができます。
この辺も別途解説していきましょう。

具体的な数字を入れて考えてみましょう。
エネルギーの単位は無視してください。

入射光子のエネルギー100はすべて軌道電子に与えられます。
（エネルギーが0になった光子は消滅してしまいます。）
軌道電子は100のうち20を原子核からの離脱に使います。
残りの80を運動エネルギーとして原子外に飛び出していきます。

こんな具合でエネルギーが割り振られていきます。

コンプトン効果

コンプトン効果は光電効果と有名度で双璧をなす現象です。
光電効果との大きな違いは光子が軌道電子に衝突した後に消滅するかしないかです。

コンプトン効果は入射光子が消滅せず、散乱し、散乱光子と呼ばれます。

光電効果やコンプトン効果は「光子と物質との相互作用」で更に詳しく見ていきましょう。

粒子線による電離

電子線や α 線のような重荷電粒子線も電離を起こします。
電子と重荷電粒子に分けてみていきましょう。

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。

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

たなまる

電離は軌道電子が原子外までいきます。励起は原子内で留まります。

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外部リンク

ATOMICA「電離と励起」関連項目（日本原子力研究開発機構）
リンク先で用語検索できます。正式名称で詳細が知りたい方に最適。

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