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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2025.07.26

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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オレのエネルギー準位、マイナスやったで！
これもう借金まみれってことか！？

牛助

えっ！？　マイナスって借金みたいなもんなんですか？

たまのすけ

せや！もう牛車ローンも払えへんで！

牛助

たなまる

いやいや、マイナスは“束縛されてる”って意味なんだ。
電子が原子核にくっついて離れられない状態のことを言うんだよ。

「エネルギー準位ってマイナスになるんだって……え、どういう意味？」
「結合エネルギーとどう違うのか、イマイチはっきりしない」
授業やワークを進めていると、こんなモヤモヤを感じる人は多いはずです。

この記事では、その2つをスッキリ整理してみます。
井戸のイメージや水素原子の数値を例にしながら、

• どうして準位はマイナスで表されるのか
• 結合エネルギーとどう関係しているのか
  を順番にたどっていきましょう。

ここが分かると、「電子はなぜ原子核に縛られているのか」がイメージしやすくなります。
医療放射線の勉強でも役立つところなので、一緒に確認していきましょう。

さっそく解答例

　「初学　放射線物理学　ワークブック」検索番号　A21　の穴埋め解答例と解説です。
　先に自分で穴を埋めてみてからの答え合わせでも良いですし、解答例を写してから覚えていっても良いです。ご自分に合ったスタイルで取り組んでください。

解説

軌道電子のエネルギー準位と結合エネルギーの間には、それはそれは深い関係性があります。

エネルギー準位とは？

電子はなぜマイナスの値になるのか

エネルギーのグラフを見て、「マイナスってどういうこと？」と感じる人は多いと思います。
でも、これは「電子が原子核に縛られている」ことを表しているだけなんです。

原子核や原子（軌道電子）は量子力学的に離散的な値しかとることができません。
そのエネルギー値をエネルギー準位といいます。

自由な電子は、エネルギーを 0 eV として基準にします。そこから見て、原子の中にとどまっている電子は「外へ飛び出すのにエネルギーが足りない」状態。だから値がマイナスで表されます。

たとえば、深い井戸の底にいるようなものです。地面（0 eV）より下にいるから、プラスのエネルギーを加えないと外には出られません。
この「井戸の底にいる＝マイナスの値」という考え方が、エネルギー準位の基本なんです。

自由電子とのちがい

「束縛されていない電子」――これを自由電子と呼びます。
エネルギーを基準に考えると、自由電子は 0 eV ちょうどに置かれます。

一方、原子の中にいる電子はマイナスの値。つまり、外の世界に出るには追加のエネルギーをもらわないといけない立場です。

自由電子と束縛された電子を比べると、

• 自由電子：好きに動き回れる状態（エネルギー 0 eV）
• 束縛された電子：原子核にくっついていて抜け出せない状態（エネルギーはマイナス）

という違いになります。

要するに、エネルギー準位がマイナスかゼロかで「つかまっているのか、自由なのか」が決まるわけです。

蟻地獄モデルでイメージしてみよう

エネルギー準位をイメージするには蟻地獄を想像してみてください。

エネルギー準位を目に見える形で考えるときに便利なのが、「蟻地獄」のイメージです。

アリジゴク（原子核）に近いアリ（電子）ほど逃げ場がなく束縛されています。
これは自由度の低い状況。

それに対して、アリジゴク（原子核）に遠いアリ（電子）ほど束縛は緩やかです。
これが自由度の高い状況。

そして、蟻地獄に陥っていないアリは全く束縛されず、自由気ままに行動できます。
電子も原子核に束縛されていない自由電子は自由に動き回ることができます。

つまり、エネルギー準位とは、電子の自由度を示したものと捉えると分かりやすいかと思います。

その自由電子の自由度を　0　とします。
自由電子は原子核からの束縛を受けていませんから、自由度0です。
そして、エネルギー準位も　0　とします。

次いで、K殻の軌道電子の自由度を考えます。
自由電子が最も自由で、その自由度を0としましたから、K殻の自由度はマイナスの概念になります。
当然、エネルギー準位もマイナスの概念となります。

水素原子の場合、K殻軌道電子の自由度は　-13.6eV　です。
したがって、エネルギー準位も　-13.6eV　となります。

結合エネルギーとは？

束縛の強さを表すエネルギー

結合エネルギーとは、その名のとおり「どれだけ強く原子核に結びつけられているか」を数字で表したものです。

電子が原子から飛び出すには、外の世界（0 eV）に届くまでエネルギーをもらわなければなりません。
つまり結合エネルギーとは、「電子を引きはがすのに必要なエネルギー」と言い換えられます。

• K殻の電子 → 原子核にいちばん近く、強く引き寄せられている → 結合エネルギーが大きい
• 外側の電子 → 引きつけは弱い → 結合エネルギーは小さい

この関係をイメージすると、エネルギー準位が深くマイナスになっているほど、結合エネルギーが大きいと分かります。

エネルギー準位との関係

エネルギー準位と結合エネルギーは、実はコインの表と裏のような関係です。

• エネルギー準位は「電子が今どこにいるか」を示す目印。値はマイナスで表されます。
• 結合エネルギーは「そこから外に出るのに必要な力」のこと。プラスの値で表されます。

たとえば、ある電子の準位が –50 eV なら、その電子を自由にするには +50 eV の結合エネルギーが必要、ということです。

要するに、

「マイナスの深さ」＝「抜け出すためのエネルギーの大きさ」

という対応関係になっています。

こう整理すると、マイナスとプラスがごっちゃになっていたモヤモヤがスッキリしてくるはずです。

水素原子を例に考えてみる

一番シンプルな原子である水素を使うと、エネルギー準位と結合エネルギーの関係がよく見えてきます。

水素原子の電子は、原子核（陽子）に一つだけ束縛されています。
この電子の基底状態（K殻）のエネルギー準位は –13.6 eV。

つまり、

• エネルギー準位：–13.6 eV
• 結合エネルギー：+13.6 eV

となります。

この数字は「電子を外に飛び出させるために、13.6 eV 分のエネルギーを与えなければならない」という意味です。
もし外から光子などが 13.6 eV 以上のエネルギーを与えれば、電子は自由になり、エネルギー0 eVの世界（自由電子）に移ることができます。

このシンプルな例を頭に入れておくと、もっと複雑な多電子原子を学ぶときも理解しやすくなります。

水素原子で考えてみると・・・

水素原子でエネルギー準位と結合エネルギーを考えてみましょう。

K殻に軌道電子がある場合、
エネルギー準位は　-13.6eV　となり、
結合エネルギーは　13.6eV　になります。

L殻に軌道電子がある場合は、
エネルギー準位が　-3.4eV　となり、
結合エネルギーが　3.4eV　になります。

エネルギー準位と結合エネルギーの整理

2つの視点のちがいを表にまとめる

ここまでの話を整理すると、エネルギー準位と結合エネルギーは「同じ現象を別の角度から見ている」ことがわかります。

言いかえると、

• エネルギー準位：電子が“どこにいるか”の位置情報
• 結合エネルギー：そこから“抜け出すのに必要なエネルギー”

この対応さえ押さえておけば、「マイナスとプラスがごちゃごちゃになる問題」はほとんど解消できます。

実際の問題を見ていきましょう。

医療現場でこの知識はどう役立つの？

エネルギー準位や結合エネルギーの話は、教科書の中だけでは終わりません。
医療の現場では、実際に撮影や治療の線質を考えるときに深く関わってきます。

たとえば X線撮影やCT。

• X線管のターゲット物質（タングステンなど）の結合エネルギーに応じて、特性X線が発生します。
• 同時に、電子が原子核のクーロン場で減速されることで 制動X線が生じます。

このとき「最大エネルギーは電子の運動エネルギー依存」「特性X線は電子の結合エネルギー依存」という区別を理解しておくと、スペクトルの成り立ちを正しくイメージできます。

特性X線はマンモグラフィでとても大切な成分ですから、結合エネルギーとの関りも強い検査といえますね。

さらに、X線吸収端の知識は被写体側にも役立ちます。
造影剤にヨードやバリウムを使う理由は、それぞれの元素のK殻結合エネルギーに近いエネルギーのX線がよく吸収されるから。
結合エネルギーの理解が、そのまま撮影の画質やコントラスト改善に直結するんです。

つまり、エネルギー準位や結合エネルギーを学ぶことは、ただの数式暗記ではなく、実際に臨床で使う「線」をどう選び、どう使うかにつながっていきます。

まとめ

今回のポイントを整理すると：

• エネルギー準位は マイナスで表され、電子が束縛されている深さを示す。
• 結合エネルギーは プラスで表され、電子を外に飛び出させるのに必要なエネルギーを意味する。
• 2つは表裏一体で、「準位の深さ＝抜け出すためのエネルギー」として対応している。
• 医療放射線では、制動X線や特性X線、さらには吸収端の理解に直結する。

たなまる

マイナスとかプラスとかで混乱しやすいけど、“どこにいるか”がエネルギー準位、“どれだけ出すか”が結合エネルギー。
この整理さえできれば、国試問題もスッキリ解けるようになる。

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電爺

ほれ、ここまで読んだんなら、次はこのあたりを見ておくとえぇぞい。

A20　自由電子と軌道電子のちがいを理解しよう

「電子にはいろんな種類があるって聞いたけど、自由電子と軌道電子の違いって結局なんなの？」そう感じて、教科書を読んでもイメージが湧きにくい人は多いはずです。この記事を読むと、電子が原子核に束縛されているのか、外に飛び出しているのかという視点で...

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2025.08.28

The post A21　軌道電子のエネルギー準位とは？結合エネルギーとの違いをやさしく解説 first appeared on 勉強嫌いの放物.

牛助、窓全開にして何してるんですか。

たまのすけ

風が気持ちええねん。
オレはもう教室には束縛されへん！自由や！

牛助

……授業中に勝手に出て行ったら怒られますよ。

たまのすけ

たなまる

電子も同じでね。
原子の中に束縛されてるのが軌道電子、
外に出ちゃったのが自由電子なんだ。

「電子にはいろんな種類があるって聞いたけど、自由電子と軌道電子の違いって結局なんなの？」
そう感じて、教科書を読んでもイメージが湧きにくい人は多いはずです。

この記事を読むと、電子が原子核に束縛されているのか、外に飛び出しているのかという視点で、自由電子と軌道電子のちがいが分かるようになります。

イラストや日常の例えを交えながら、両者の特徴を整理し、試験でよく問われる「電子の分類」をシンプルに解説します。

自由電子と軌道電子は原子物理の基本中の基本であり、電気伝導や放射線のふるまいを理解するうえで必須の概念なので、ビシッと理解しましょう。

さっそく解答例

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電子にはどんな種類があるの？

中学校で習った「電子」の復習

電子といえば、中学理科で「原子のまわりを回っている小さな粒子」として学んだはずです。
マイナスの電気を帯びていて、陽子と電子の数が釣り合うことで、原子は電気的に中性を保ちます。

電爺

そんな昔の話、覚えておるわけないじゃろう。
ここでもう一回覚えたら良いわい。

物質内の電子は2種類に分けられる

まず、一口に電子といっても、大きく2種類の電子に分けることができます。

高校以上のレベルになると、この電子を「自由電子」と「軌道電子」に分けて考えます。
一見するとどちらも同じ電子ですが、「どこに存在しているか」「どんな役割を持つか」がちがうのです。

既に出てきた「陰電子」・「陽電子」という違いではなく、物質の中のどこにあるかによって名称が変わってきます。

図を参照しながら見ていきます。

• 原子にしっかり束縛されている 軌道電子
• 束縛から外れて自由に動ける 自由電子

この2種類に分けて考えます。

物質の中には原子がたくさん詰まっていることはみなさんご存知のはずですね。

忘れてしまった方はコチラをチェック。

その原子の中に含まれる「軌道電子」と原子の外にある「自由電子」に分けることができます。

自由電子とは？

原子に束縛されていない電子

自由電子とは、原子核の強い引力から解き放たれ、原子の外を動き回る電子のことです。
特に金属のような物質では、最外殻の電子（価電子）がしっかり束縛されず、原子から飛び出して周囲を移動できる状態になります。
言いかえると、自由電子は「ある原子の所有物」ではなくなり、物質全体を行き来できる共通の存在になるわけです。

自由電子は原子核に束縛されていませんので、物質内を比較的自由に動き回ることができます。

※実際には電子は何らかの束縛を受けるので、完全に自由な電子は存在しないようです。
仮定としての「自由」電子のようです。
まぁ、あまり気にせずに行きましょう。

自由電子が果たす役割

この性質こそが、金属が電気を通す理由です。
外部から電圧をかけると、自由電子は一斉に方向をそろえて移動します。
これが「電流」と呼ばれる現象です。

例えば、銅線の中では自由電子が絶えず動き回り、電気エネルギーを効率よく運んでいます。
逆に、自由電子がほとんど存在しないゴムや木材では、電子が流れる道がないため電気を通しません。

オレも牧場飛び出して放牧されたいわ～。

牛助

もう一つの重要な役割

自由電子は、電気伝導だけでなく「熱の伝わりやすさ」にも関係しています。
金属に触れるとひんやり感じるのは、自由電子が熱をすばやく運ぶからです。
このように、自由電子の存在は物質の性質そのものを決める重要なポイントなのです。

だから真夏は車の上で昼寝してられないんだ。

たまのすけ

軌道電子とは？

原子核に束縛されている電子

軌道電子とは、原子核の強い引力にとらえられ、決まった軌道（電子殻）を回っている電子のことです。
イメージすると、まるで太陽のまわりを惑星がぐるぐる回っているようなもの。
電子は「勝手に外に飛び出せない」かわりに、安定した位置に収まっているのです。
束縛されていることから、「束縛電子」と呼ぶ場合もあります。
※国試では「束縛電子」という名称は出てこないですね。古い主任者試験の過去問なら出会えるかもしれません。

電子殻と収容できる数（2n²則）

電子が収まる場所（軌道）は原子核に近い順に「K殻」、「L殻」、「M殻」、・・・のように続いていきます。

それぞれの殻に入れる電子の数は「2n²」というルールで決まります（n＝殻の番号）。

• K殻（n=1）：最大2個
• L殻（n=2）：最大8個
• M殻（n=3）：最大18個

外側へ行くほど、より多くの電子を収容できるようになります。

これを一般式で示すと　2ｎ²　となります。
※nは主量子数といい、軌道の大きさを示したものです。K殻は n=1　、L殻は　n=2　といった感じで、1ずつ増えていきます。

軌道電子はこのK殻やL殻といった軌道上にしか存在することはできません。

K殻とL殻の間のスペースには存在できないのです。

こういった連続的でないものを「離散的」と表現します。

また、各軌道の間隔は一定ではありません。
K殻とL殻の間が最も離れています。
次いでL殻とM殻の間が離れています。

お気付きですね？

外側に行けば行くほど、各軌道の間隔は「狭く」なっていきます。
つまり、外側に行けば行くほど、エネルギー準位差が小さくなっていきます。

※エネルギー準位については、A21を参照してください。

外側に行くほどどうなるのか？

電子のエネルギーを「束縛の強さ」で見ると、原子核に近い電子は強く引き寄せられているため、束縛エネルギーが大きい です。
一方、外側の電子は束縛が弱く、束縛エネルギーが小さい ので外に飛び出しやすい性質があります。

逆に、電子の位置を「エネルギー準位」として表すと、外側の電子ほどエネルギー準位が高い と言えます。
つまり、同じ「エネルギー」でも見方によって表現が逆転することに注意しましょう。

※束縛エネルギー＝結合エネルギーです。

自由電子と軌道電子のちがいを整理しよう

ここまでで「自由電子」と「軌道電子」それぞれの特徴を見てきました。
では両者を並べて比べると、どんな違いがはっきりするでしょうか。

位置のちがい

• 自由電子：原子から抜け出し、物質全体を動き回っている。
• 軌道電子：原子核のまわりを、決まった軌道（電子殻）の中で回っている。

束縛のちがい

• 自由電子：原子核の引力からほとんど解き放たれており、外部の電場に応じて自由に動ける。
• 軌道電子：原子核の引力に強く束縛され、決まった殻の中から簡単には出られない。

エネルギーの見方のちがい

• 束縛エネルギーで見ると：内側の軌道電子ほど束縛が強く、外側の電子は弱い。
• エネルギー準位で見ると：外側の軌道電子ほど高い準位にあり、飛び出して自由電子になりやすい。

実際の問題を見ていきましょう。

まとめ

たなまる

原子核に束縛されていたら軌道電子、原子核から束縛されていなかったら自由電子という認識でOKです。

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次に読むならコレ！電爺的おすすめ内部リンク

電爺

ほれ、ここまで読んだんなら、次はこのあたりを見ておくとえぇぞい。

もっと知りたい方へ！たまのすけおすすめ外部リンク

たまのすけ

ここまで読んできた皆さんなら、もう一歩踏み込んだ知識に触れてみたくなるはずです。そんな方におすすめの外部リンクを紹介しますね。

『自由電子ってどのような電子？ 特徴や役割、他の電子との違いとは〖親子でプチ物理〗』
👉 https://hugkum.sho.jp/542244

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