この記事では、電子を区別するために必要な4種類の量子数と、電子同士が同じ場所にいられない理由＝パウリの排他原理を解説していきます。

量子数の「大きさ・形・傾き・向き」という4つの意味を順番に整理し、さらに“同じ椅子に二人は座れない”というイメージでパウリの排他原理を理解できるように紹介します。

この基礎を押さえれば、A23で学ぶ電子の配置（軌道の並び方）が自然と理解できるようになります。国試の暗記事項を覚えるにも、スッと頭に入りやすくなります。

量子数とは何か？

原子の中にある電子は、ただ「存在している」わけではなく、どの位置にいて、どんな状態なのかが細かく決まっています。
その状態を整理し、区別するために使われるのが「量子数」です。

この章では、量子数が何のために存在するのか、そして「電子を区別する」とはどういうことなのかを、イメージを交えながら確認していきましょう。

電子を区別するための「番号札」

原子の中にはいくつもの電子が存在します。
同じ原子の中にいる電子たちは、みんな同じ「電子」という粒子ですが、どの位置や状態にいるのかを区別するための目印が必要です。
その目印となるのが「量子数」なんです。
イメージとしては、映画館の座席番号や学生証の番号のようなものです。
番号があるからこそ、「どの席に誰がいるか」がはっきりわかります。

先生もよく学生の名前間違えるもんな！

たはは。よく見てるね。
特に女性陣がマスクをしているとね～
ほんとに覚えられないんだよ・・・

良く座席表チラチラ見てますもんね。

4種類の量子数の役割（全体像）

電子を指定するための量子数は4種類あります。

• 主量子数 n … 軌道の「大きさ」を決める
• 方位量子数 l … 軌道の「形」を決める
• 磁気量子数 m … 軌道の「向き（傾き）」を決める
• スピン量子数 s … 電子の「自転の向き」を決める

これら4つを組み合わせることで、「ある原子の中の特定の電子」を一意に指定することができます。
逆に言えば、この4つが揃わないと、どの電子のことを話しているのかが曖昧になってしまいます。

簡単なんてウソやん！
メッチャ複雑そうやんけ！

大丈夫。
氏名
住所
電話番号
右利き/左利き
みたいなもんさ。

4種類の量子数をひとつずつ理解しよう

電子の状態を決める量子数は、全部で4種類あります。
それぞれが示している情報は違いますが、役割ははっきり分かれています。

ここでは、4つの量子数をひとつずつ取り上げて、
「何を決めている数なのか」「どんなイメージを持てばよいのか」を整理していきましょう。
細かい計算よりも、まずは意味と役割をつかむことを目標にします。

主量子数 n ― 軌道の大きさを決める

主量子数 n は、電子がどの殻（エネルギー段階）に属しているかを表します。
n は 1 から始まる整数（n＝1,2,3,…） をとり、数が大きいほど電子は原子核から遠く、エネルギーも高くなります。

• n=1 → K殻（最も内側）
• n=2 → L殻
• n=3 → M殻 …

数字が大きいほど外側にいくのね。

方位量子数 l ― 軌道の形を決める

方位量子数 l は、軌道の形を決める数です。
l は 0 から (n−1) までの整数 をとり、それぞれの値に応じて軌道に名前がついています。

たとえば、

• n=3, l=0 の場合 → 3s軌道
• n=3, l=1 の場合 → 3p軌道

のように、主量子数 n と方位量子数 l を組み合わせて「軌道名」が使われます。

ここ、メッチャ大事なんちゃうか？

そうなんだよ。
国試で3s軌道とかって出てくるから、ちゃんと覚えておこうね。
ちなみに並び順 s, p, d, f, g は、「スピードフラッグ」 と覚えると暗記しやすいよ。

磁気量子数 m_l ― 軌道の向き（傾き）を決める

磁気量子数 m は、同じ形の軌道が「どの方向を向いているか（どの程度傾いているか）」を示します。
−l から +l までの整数（0を含む） をとり、その数だけ向きが存在します。

• 例：p軌道（l=1）の場合 → m = −1, 0, +1（3方向のp軌道）
• 例：d軌道（l=2）の場合 → m = −2, −1, 0, +1, +2（5方向のd軌道）

向きって、昼寝のときの姿勢みたいなもんやな！

牛助ちゃん、どこでも寝れるもんね。
寝床たくさんありそう。

そうだね。
広い部屋（大きな軌道）ならたくさんの寝床（向き）があるよね。
狭い部屋（小さな軌道）だと寝床（向き）は限られてくるよね。
それと一緒。

スピン量子数 m_s ― 電子の自転のような性質

スピン量子数は、電子の自転（スピン）の向きを表します。
この値は2通りしかなく、同じ軌道に2つの電子が入れるのはスピンが反対だからです。

• m_s = +½
• m_s = −½

日常だとこんなシチュエーションと同じ感じです。

学食でA定かB定か選ぶみたいなもんやろ？
あれ、毎日悩ましいんや。

パウリの排他原理とは？

原子の中には、たくさんの電子が存在しています。
それらが混乱せずに並び、原子や元素としての性質を保てているのには、
実はとても重要なルールがあります。

それが パウリの排他原理 です。
この原理は、「電子がどのように原子の中に配置されるのか」を決める
最も基本的な考え方のひとつです。

ここでは、パウリの排他原理が
どんな内容のルールなのか、
そして なぜそれが原子の構造にとって欠かせないのか を、
量子数との関係から確認していきましょう。

同じ量子数をもつ電子は存在できない

パウリの排他原理とは、1つの原子の中で、2つ以上の電子が全く同じ量子数の組み合わせをもつことはできない というルールのことです。
4種類の量子数（主量子数 n、方位量子数 l、磁気量子数 m、スピン量子数 s）のうち、すべてが一致してしまうような電子は存在できません。

この原理のおかげで、電子は一つひとつ区別され、秩序を保って原子の中に配置されていきます。
もし排他原理がなければ、電子はすべて最低エネルギーの場所に押し込まれてしまい、周期表の規則性や元素の性質の多様性は生まれなくなってしまいます。
つまり、物質の世界そのものが成り立たなくなるのです。

同じ電子に見えても、ちょっとずつ違うのね。

オレかて家（牧場）に帰れば牛はわんさか居てるけど、
オレは一人やで。

コラム：フントの規則とは？

フントの規則（Hund’s rule）は、電子が同じエネルギーの軌道に入るときの座り方ルール。

• 電子はまず「一人一席」を優先して座る。
• そのときは同じスピン（↑↑↑のように向きを揃える）。
• 席が余っていないときにだけ相席（スピン反対のペア）が始まる。

たとえば p 軌道に3つテーブルがあるなら、最初の3つの電子はバラバラに座り、しかもスピンを揃える。
空のテーブルが無くなったら、相席していく。

なんていう着席ルールがあります。

国試には出たことがないので、無理に理解しなくても大丈夫です。

実際の問題を見ていきましょう

と思いましたが、次のA23を学んでからの方がよさそうです。
ここは一旦終わりにしましょう。

まとめ

今回は、電子を区別するための4種類の量子数と、パウリの排他原理について学びました。
量子数は電子の「住所」のようなものであり、パウリの排他原理は電子が秩序正しく配置されるための大切なルールです。

• 量子数は、電子の状態を区別するための番号札の役割をもつ。
• 主量子数 n は軌道の大きさ（電子殻）を表す。
• 方位量子数 l は軌道の形（s・p・d・f…）を表す。
• 磁気量子数 m は軌道の向き（傾き）を表す。
• スピン量子数 s は電子のスピンの向きを表し、+1/2 と −1/2 の2種類がある。
• パウリの排他原理では、4種類すべての量子数が同じ電子は1つの原子内に存在できない。
• フントの規則では、同じエネルギーの軌道には、まず1個ずつ同じ向きのスピンで電子が入る。

量子数は最初は覚えることが多く感じますが、「大きさ・形・向き・スピン」の4つに分けて考えると整理しやすくなります。この考え方が分かると、次の電子配置もスムーズに理解できますよ！

次に読むならコレ！レントゲン博士のおすすめ内部リンク

次はこの辺りも参考になるかもよ。

• A21：軌道電子のエネルギー準位と結合エネルギー
• A11：原子の構造をみてみよう！

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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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
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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• 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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