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？
答えを表示
違いは軌道電子が原子外に出るか出ないかでした。
もちろん、原子外へ出るのが電離です。
電子が原子から離れる。
だから「電離」という名称がつけられたと思っています。
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 Eγ、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 Ee 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。
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。
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