放射線物理 | 勉強嫌いの放物

第78回　診療放射線技師　国家試験

たなまる — Thu, 19 Feb 2026 10:50:11 +0000

2026年2月19日（木）に実施された第78回診療放射線技師国家試験の放射線物理学の問題を見ていきます。

厚労省の公式解答発表前です。
参考程度に留めて下さい。

AMを見ていきましょう

まずはAMの問題から見ていきましょう。
昨年、60問目からが放物の問題に変更になりましたね。

毎年、試験会場まで問題を取りに行くのですが、問題を渡してくれる学生の反応が国試のファーストインプレッションです。
学生のキャラにもよりますが、大抵は「今年は難しい！」と言って渡してきます。
「今年は簡単だ！」なんてセリフは聞いたことありません。
みんな自分の受けた問題が一番難しいんですよね。

ちなみに、私が受けたのは第58回です。
合格率を検索してみると・・・悲劇の年であることが伺えます。

さて、今年はどんな問題が出題されるのやら・・・
ドキドキの瞬間です。

AM60

第78回　2026年　AM60
エネルギーが 0.025 eV の中性子の速度 [m/s] に最も近いのはどれか。
ただし、中性子の質量を $1.7\times10^{-27} \mathrm{kg}$、 $1 \mathrm{eV}=1.6\times10^{-19} \mathrm{J}$ とする。

$1.5\times10^3$
$2.2\times10^3$
$4.7\times10^6$
$5.4\times10^{12}$
$1.4\times10^{22}$

これは簡単ですね。
覚えていれば楽勝。2秒で選べる問題。
覚えていなくても力技で解けますね。

解説を見る。

C05　X線管で生まれる制動放射線の仕組みを理解しよう！

たなまる — Wed, 08 Oct 2025 23:19:40 +0000

「電子をぶつけるだけでX線が出る」――そう聞くと、ちょっと不思議に感じませんか。
しかも、そのX線には“いろんな波長”が混ざっていて、ひとつの線じゃなく連続した光の分布になるんです。

実はこれ、電子がターゲットにぶつかったときに曲がってしまうことが原因。
そのとき失ったエネルギーが、そっくりそのままX線として放たれるんです。

この記事では、そんな制動放射線の仕組みをやさしくたどりながら、
クラマースの式やクーレンカンプの式が“何を表しているのか”も一緒に見ていきます。

X線管の中で起きていることがわかると、装置の出力や撮影条件の意味も、きっと違って見えてくるはずです。

X線はどうやって生まれるの？

X線管の中では、目に見えない世界で壮大なエネルギーの変換が起きています。
電気の力で電子を加速し、それがターゲットに衝突することで光が生まれる――。
ここでは、その一連の流れを順を追って見ていきましょう。

電子を加速してターゲットへ

X線が生まれる最初の舞台は、陰極（フィラメント）です。
ここに電流を流すと熱せられ、表面から電子が飛び出します。
このように、熱によって放出される電子を熱電子と呼びます。

放たれた熱電子は、真空中を漂う間もなく、強力な電場に引き寄せられます。
その電場を生み出しているのが、反対側の陽極（ターゲット）です。
陰極と陽極のあいだには高い電圧（管電圧）がかかっており、
電子はその電位差によって一気に加速されていきます。

たとえば管電圧が100 kVなら、1個の電子が得るエネルギーは100 keVになります。
この関係については、A02の記事「放射線物理に必要な物理単位まとめ｜速度・圧力・電気など16個を簡単整理」で扱いましたね。
加速された熱電子は光速の半分ほどの速さにまで達し、そのままターゲット金属へ突っ込んでいきます。

つまり、陰極で生まれた熱電子が、陽極へ向かって走る――
この「走るエネルギー」こそが、のちにX線のもとになる運動エネルギーなのです。

減速すると光る？制動放射の基本原理

陽極ターゲットに突っ込んできた（入射した）電子たちは、そこでいきなりブレーキをかけられます。
ターゲット内部には原子核がぎっしり詰まっていて、その正の電荷が電子を強く引き寄せてしまうのです。
電子はその引力に引かれながら進路を曲げられ、まるで急カーブを切る車のように減速します。

このとき、電子は「進む力」を少し失い、そのエネルギーが電磁波（＝X線）に変わります。
これが制動放射（Bremsstrahlung）という現象で、このときに放出されたX線は制動放射線と呼ばれます。
ドイツ語で「ブレーキ放射」という意味の通り、電子がブレーキを踏むと光が生まれる――とまぁ、言ってみればそんな現象です。

ただし、「止まったとき」ではなく、「曲げられた瞬間」に放射されることがポイントです。
電子がどれくらい強く引き寄せられたか、つまりどれだけ急に方向を変えたかによって、
放たれるX線のエネルギー（＝波長の短さ）が変わります。

たとえば、ほとんど減速せずに通り過ぎた電子は、低エネルギーのX線しか出しません。
一方で、原子核のすぐそばを通って大きく減速した電子は、持っていた運動エネルギーをほぼすべて放出してしまい、高エネルギーのX線を放ちます。

このように、電子ごとに減速の度合いが違うため、X線（制動放射線）のエネルギーも一様ではなく、様々なエネルギーが連続的に混在する連続スペクトルとして現れるのです。
だから制動放射線は、波長の幅を持った“なだらかな山形”のグラフを描きます。

制動放射の性質をつかもう

制動放射線は“減速の度合い”によって生まれるエネルギーが変わるため、
一つひとつの電子が放つX線にばらつきがあります。
その結果として現れるのが、連続的に広がるスペクトル。
ここでは、その性質とエネルギーの上限を決める法則を見ていきましょう。

なぜ連続スペクトルになるのか

X線管で発生した制動放射線を波長ごとに分析すると、山のように滑らかに連なるグラフが現れます。
これが連続スペクトルです。

原因はシンプルで、電子が減速する程度が毎回異なるからです。
原子核のすぐそばをかすめて一気に減速する電子もあれば、遠くを通ってほとんどスピードを落とさない電子もあります。

たとえば、高速道路でいろんな車がそれぞれのタイミングでブレーキを踏むようなもの。
ブレーキの強さがバラバラなら、減速の仕方も、放たれる光（X線）のエネルギーもまちまちになります。
その結果、波長が短いX線から長いX線まで、連続的に分布するのです。

このグラフの形は、ターゲットの材質によって大きく変わることはありません。
銅でもタングステンでも、基本の形は同じです。
つまり制動放射の連続スペクトルは、「電子が減速するという現象そのもの」によって決まっているのです。

最短波長とデュアン・ハントの法則

制動放射のスペクトルには、右端に“打ち止め”のような位置があります。
これより高いエネルギーのX線は出ません。
ここが制動放射線の最大エネルギーとなります。
また、エネルギーと波長の関係式は以下のようになっています。

$$ E=\frac{hc}{λ} $$

ここで、h：プランク定数、c：光速、E：制動放射線のエネルギー、λ：波長です。

つまり、制動放射線のエネルギーが最も高いとき、波長は最も短くなります。
これを最短波長と呼び、その位置を決めるのがデュアン・ハントの法則です。

法則の内容はとても単純で、
「電子の持っていた全エネルギー（＝加速電圧）を、まるごと1個のX線に変えたとき」
そのX線の波長が最短になる、というものです。

式で書くと次のようになります。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
\lambda_{\min} &= \frac{hc}{eV} \\[6pt]
&= \frac{1.24}{V}
\end{aligned}
}
}
$$

ここで、
h：プランク定数、c：光速、eV：電子のエネルギー（加速電圧×電荷）、V：kV単位の管電圧です。
この式で求められるのはnm単位の最短波長です。

たとえば管電圧を2倍にすると、電子のエネルギーも2倍になります。
すると最短波長は半分になり、より高エネルギー側までX線が広がります。
管電圧が高いほど硬い（エネルギーの高い）X線が得られるわけです。

つまり、最短波長や最大エネルギーは管電圧のみによって決定されるのです。

この最短波長は、後で扱う「クラマースの式」や「クーレンカンプの式」のグラフでも、
スペクトルの端を決める重要な基準になります。

※スペクトルの端：スペクトルの横軸が波長なら左端、エネルギーなら右端にあたります。
※上の図では横軸がエネルギーなので、右端となります。

制動放射の強度分布を理論で見る

前のセクションでは、「制動放射」がどうやって生まれるかを感覚的に見てきました。
ここではもう一歩踏み込んで、「その強さがどう変わるのか？」を理論的に考えてみましょう。

制動放射では、加速電圧が大きいほど高エネルギーのX線が出やすくなりますが、その分、低エネルギーのX線もたくさん混ざっています。
この「分布の形」を説明するために生まれたのが、クラマースの式やクーレンカンプの式といった理論です。

どちらも、
「電子がターゲットにぶつかって減速するとき、どんなエネルギーのX線をどれくらい出すのか」
を数学的に表すものです。

つまり、制動放射線のエネルギー分布（強度分布）を示しているのです。

ではまず、基礎となるクラマースの式から見ていきましょう。

クラマースの式でわかること

クラマース（Kramers）の式は、制動放射のX線強度を最もシンプルな形で説明する理論です。
シンプルとは、古典量子論でという意味です。
つまり、制動放射線のエネルギー分布を古典量子論的に説明した式をクラマースの式といいます。

電子が金属ターゲットの原子核の電場で減速されるとき、
どんなエネルギーのX線を出すのか――それを“理想的な条件”で近似したものなんですね。

式の形はおおよそ次のように表されます。あくまでおおよそです。

$$I(E)=K\cdot Z\cdot (E_0-E)$$

ここで、

I(E)：エネルギーEのX線強度
Z：ターゲット金属の原子番号
E₀：電子が持っていた最大エネルギー（＝加速電圧に対応）
K：定数（比例関係の係数）

つまり、電子が持つエネルギー E₀ から実際に放射されるX線のエネルギー E を引いた分だけ、強度が変わるという考え方です。
このため、グラフにすると「高エネルギー側でゼロに近づく直線的なスペクトル」になります。

クラマースの式のすごいところは、
実際のスペクトルの“全体的な形”をかなりよく再現できる点です。
細かいピーク（特性X線）は含まれませんが、
制動放射の“山なりの分布”を理解するうえでの出発点になるんです。

これ、式も覚えなきゃだめですか？

たまのすけ

たなまる

式の中身まで問われたことはありませんね。
式自体を覚える必要はありませんが、
「制動放射線とクラマースの式は関係がある」ことは押さえておきましょう。

クーレンカンプの式とのちがい

クラマースの式は「理想的な条件下での近似式」でした。
つまり、電子が金属ターゲットにぶつかって減速する際、
エネルギー損失がなめらかに起こると仮定しているわけです。

でも、実際のX線管の中ではそんなに単純ではありません。
電子は金属原子の電場の中で、
さまざまな距離や角度で減速されるため、
放射されるX線の強さには微妙なばらつきが生じます。

この現実のずれを補正するように提案されたのが、クーレンカンプ（Coulomb–Kramers）実験式です。
クラマース式をベースにしつつ、電子の速度やクーロン力の影響を考慮して改良されたものなんです。
クラマースの式に「実際の測定結果」をもとに補正を加えたものです。
複雑になってくるので、紹介は割愛します。
つまり、国試で式の中身は問われないということ。

式の詳細は複雑ですが、ざっくり言えばこうです。

クーレンカンプの式では、電子と原子核との相互作用の確率（断面積）を取り入れている
その結果、低エネルギー側のX線強度がより実測値に近づく

グラフで比べると、クラマース式はやや単純な直線的な分布、
クーレンカンプ式は少し丸みを帯びて、低エネルギー側が高めに補正されたカーブになります。

つまり――
クラマース式は“理想のモデル”、
クーレンカンプ式は“実際に近づけたモデル”という関係なんですね。

つまりどういうこっちゃ？

牛助

たなまる

クラマースと同様に制動放射線のエネルギー分布を示してるってだけ分かっていれば大丈夫だよ。

電子エネルギーとX線強度の関係

ここまでで、「クラマースの式」と「クーレンカンプの式」が
それぞれどんな特徴を持っているかを見てきましたね。
では、加速電圧──つまり電子のエネルギー──を変えると、
制動放射の強度はどう変わるのでしょうか？

これは直感的にも理解しやすくて、
電子のエネルギーが高いほど、ターゲット原子の電場に突っ込む勢いも強くなります。
そのぶん、より多くのエネルギーが放射（＝X線）として放たれるわけです。

式で表すと、クラマース式にも出てきたように
エネルギーの上限 E₀（＝加速電圧）によってスペクトルの右端が決まります。
電圧を上げれば、その端（最短波長の位置）は右側にずれていき、
全体の強度も大きくなるという関係です。

クーレンカンプの式で見ると、この関係はさらにリアルで、
低エネルギー成分の強度増加も一緒に再現されます。
つまり、電圧を上げると「山全体が持ち上がる」ような変化を示すんですね。

まとめるとこうです。

電子のエネルギー（加速電圧）を上げると、X線強度が全体的に増える
最短波長は短くなる（＝より高エネルギーのX線が出る）
低エネルギー側も、クーレンカンプの式で見るとより現実に近いカーブになる

実際の過去問を見てみよう。

2008年に実施された第60回からのご紹介。
ちょっと古いですが、現在でも出題される可能性が十分にある内容です。

第60回　2008年　問44
X線の最短波長が2×10^-2 nmのとき管電圧[kV]はどれか。

答えを確認する。

C03　オージェ電子の発生と特徴

たなまる — Mon, 15 Sep 2025 05:21:08 +0000

原子の内殻に空位ができたとき、エネルギーはどのように放出されるのでしょうか。
一般的には特性X線が思い浮かびますが、実はもうひとつ重要な放出の仕方があります。

それが「オージェ電子」です。
内殻の空位を埋める際に、エネルギーが軌道電子に伝わって外へ飛び出す現象で、特性X線と競合する形で現れます。このときに飛び出した電子がオージェ電子です。

この章では、オージェ電子がどのように発生するのかを中心に説明していきます。
空位ができれば、必ず特性X線かオージェ電子が放出される――その仕組みを押さえることが、次のエネルギー計算を理解する土台になります。

※この記事はC2：特性X線の発生原理と種類を読んだ後にご覧いただくと、理解しやすくなっています。

オージェ電子とは？

原子の内殻に空位ができたとき、原子は不安定な状態になります。
このとき、余分なエネルギーを放出して安定化するのですが、その方法は必ず二つに分かれます。
一つは「特性X線」としてエネルギーを光の形で出す方法、もう一つは「オージェ電子」と呼ばれる電子を飛ばす方法です。
ここでは、特性X線と並んで重要な役割を果たすオージェ電子の放出について整理していきましょう。

特性X線と並ぶ放出の仕組み

これまで学んできた特性X線は「外殻の電子が内殻へ落ち込むときに、その結合エネルギー差が光として現れる」ものでした。
一方、オージェ電子は光ではなく、電子そのものが外へ飛び出すという形でエネルギーが表に出てきます。
イメージすると、原子が「余分なエネルギーを抱えきれず、近くの電子を蹴飛ばしてしまう」といった感じです。
この過程では新たに光は出ないので、外部から見ると「X線が出るはずの場面で電子が飛び出してきた」という現象として観測されます。
つまりオージェ電子は、特性X線と並ぶ、もう一つの“エネルギーの出口”なのです。

特性X線を放出する代わりに、軌道電子が原子外に放出される。その電子がオージェ電子です。

内殻の空位が引き金になる

では、オージェ電子が発生するきっかけは何か。
それは必ず「内殻に空位ができたこと」から始まります。
X線や電子線などの照射によって内殻電子が弾き飛ばされると、その位置に空位ができます。
原子にとって空位は非常に不安定であり、安定化するために外殻電子が遷移して空位を埋めようとします。
その結果、結合エネルギーの差に相当する余分なエネルギーが発生しますが、
これが光子として外に出れば特性X線、別の電子に受け渡されればその電子が原子の外に飛び出し、オージェ電子となります。
つまり「空位ができる → 埋まる → エネルギーが出る」という一連の流れが、オージェ電子発生の根幹なのです。

C02で言ってた、内殻に余計な荷物は持っていけないってやつですね。

たまのすけ

電爺

そうじゃ。
タンスと本棚の両方は持っていけんからのぅ。
どっちかは捨てようってことじゃ。

たなまる

特性X線かオージェ電子、どっちかは外に出しちゃおうってことだね。

両方とも捨てられんって電子はどうなるんや？

牛助

電爺

そういう電子は遷移しないんじゃ。

たなまる

他にも電子はいますからね。
捨てる決意の固まった電子が遷移するんです。

オージェ電子の発生メカニズム

オージェ電子は、原子の中で「電子の遷移（高→低）」が起きるときに現れます。
特性X線と同じように、内殻にできた空位を埋めるために電子が遷移するのが出発点です。
しかし、そのエネルギーがX線ではなく、別の電子を飛ばすことに使われた場合、それがオージェ電子となります。
ここでは、その一連の流れを順を追って確認していきましょう。

外殻電子が内殻に落ちるとき

内殻に空位ができると、外殻の電子が遷移します。
このとき、電子は「高い階段から低い階段に降りる」ような動きをしており、余分なエネルギーを放出する必要があります。
特性X線の場合は、このエネルギーが光子（X線）として外に飛び出します。
一方、オージェ電子の場合は、このエネルギーが別の電子に伝わるのです。

つまり、外殻電子が内殻に移動することがオージェ電子発生の第一歩となります。

エネルギーが別の電子に伝わる仕組み

外殻電子が内殻へ落ちたときに生じるエネルギーは、原子内で必ず処理されます。
その処理方法には2つのルートがあります。
ひとつは電磁波（特性X線）として外に放つルート、もうひとつは原子内の別の電子に渡すルートです。

この「エネルギーの受け渡し」が起きるのは、原子が安定するための自然な現象です。
原子の中では、余ったエネルギーを誰かに渡すか、自分で抱えきれずに吐き出すかのどちらかしかありません。
ここでエネルギーを受け取った電子は、束縛から逃れるほどの運動エネルギーを得て、外に飛び出していきます。

飛び出す電子＝オージェ電子

エネルギーを受け取って外に飛び出した電子こそが「オージェ電子」です。
この電子は、もともと原子に束縛されていた電子なので、放出時には特定のエネルギーを持っています。
その値は「遷移に関わった殻の組み合わせ」と「束縛されていた電子のエネルギー」によって決まります。

つまり、オージェ電子のエネルギーは光子（特性X線）のように「高エネルギー放射線」ではなく、電子の結合エネルギーを差し引いた比較的低めの値になります。
この特徴が、特性X線との大きな違いです。

特性X線との違いとエネルギー関係

オージェ電子と特性X線は、どちらも「内殻の空位が埋まるときに放出されるエネルギー」ですが、その出方に大きな違いがあります。
ここでは、両者の性質とエネルギーの扱われ方を整理していきましょう。

特性X線は結合エネルギーの差

特性X線は、外殻電子が内殻に落ちたときの 結合エネルギーの差がそのまま光子に変わる 現象です。
例えばK殻に空位ができ、L殻から電子が落ちると、その差分のエネルギーがX線として外に放出されます。
このエネルギーは比較的大きく、光の中でもX線領域に属するため、検出も容易です。

放射線診療で観察される「特性X線スペクトル」は、この仕組みによって生じています。
したがって、特性X線は元素固有のエネルギーを持ち、分析や診断に大きな役割を果たしています。

オージェ電子はさらに結合エネルギーを差し引いた値

一方、オージェ電子では事情が異なります。
外殻電子が内殻に落ちたときのエネルギーが、もう一つの電子に渡されるのですが、この電子は元々ある殻に束縛されていたため、その結合エネルギーを差し引かなければ外に飛び出せません。

つまり、オージェ電子の運動エネルギーは「結合エネルギー差 − 受け取った電子の結合エネルギー」 という形になります。
このため、オージェ電子のエネルギーは特性X線よりも小さく、数百eV〜数keV程度にとどまります。

この図の場合のオージェ電子のエネルギーを考えてみましょう。
※単位は無視して考えてみましょう。

まず、Ｋ殻の空位に対して、L殻の軌道電子が遷移していますから、本来ならK_αX線として100-40で60のエネルギーが放出されるはずです。
しかし、N殻の軌道電子にその60のエネルギーが受け渡されたとすると、N殻軌道電子は60というエネルギーをうち、5を原子核の束縛からの離脱に使い、残りの55を運動エネルギーとして原子外に放出されます。
つまり、特性X線のエネルギー（60）からさらに受け取った電子の結合エネルギー（5）を引いて、55がオージェ電子になります。

電爺

「オージェ電子のエネルギー」は「特性X線」よりも「結合エネルギー」の分だけ小さくなるんじゃ。

どちらも線スペクトルとして現れる

特性X線もオージェ電子も、どちらも原子内のエネルギー準位に由来するため、「線スペクトル」として観測されます。
つまり、連続的な値ではなく、元素ごとに決まった固有のエネルギーを持つという点で共通しています。

ただし、放出される粒子の種類が光子か電子かで、測定方法や利用される分野が異なります。
光子である特性X線は医療画像や元素分析で広く使われ、電子であるオージェ電子は表面分析や材料研究で活躍します。

発生の確率と原子番号との関係

オージェ電子と特性X線は、どちらも「空位が埋まるときに出るエネルギーの放出方法」ですが、両方が同じ確率で出るわけではありません。
実は、元素の種類、特に原子番号の大きさによって、どちらが優勢に放出されるかが決まってきます。

蛍光収率とオージェ収率

内殻に空位ができたとき、特性X線が放出される確率を 蛍光収率 といいます。
一方、オージェ電子が放出される確率を オージェ収率 と呼びます。
どちらも「同じ事象（空位の充填）」から生じるため、蛍光収率とオージェ収率の和は常に1（100%）になります。

つまり、特性X線がよく出る元素ではオージェ電子はあまり出ず、その逆もまた然りです。

軽い元素ではオージェ電子が優勢

原子番号が小さい元素では、電子が感じる核の引力が弱く、光子（特性X線）としてエネルギーを外に持ち出すよりも、電子同士でエネルギーをやり取りする方が起こりやすくなります。
そのため、炭素や酸素などの軽元素ではオージェ電子が圧倒的に優勢です。

実際、原子番号Z≒30（おおよそ亜鉛）以下では、オージェ収率が高く、特性X線よりもオージェ電子の放出が支配的になります。

たなまる

実際は原子番号Z=32のGe（ゲルマニウム）まではオージェ電子が優勢になります。

重い元素では特性X線が優勢

一方、原子番号が大きくなると状況は逆転します。
電子が強く束縛されるため、外殻電子が内殻に落ちるときのエネルギーも大きく、そのエネルギーを光として放出する確率が増えていきます。
そのため、鉛やウランなどの重元素では特性X線の放出が支配的です。

言い換えれば、原子番号が高いほど蛍光収率が大きくなり、オージェ電子が出る確率は低下していきます。

実際の過去問を見てみよう。

出題年を追えないほど古い国家試験からの紹介となりますが、本質的なところは変わりません。

出題年不明
X線の発生で正しいのはどれか。

特性X線は連続エネルギーを示す。
X線の発生効率は管電圧の2乗に比例する。
特性X線のエネルギーは管電圧に依存する。
特性X線の発生とオージェ電子の放出とは競合する。
連続X線の最短波長はターゲットの原子番号によって決まる。

答えを確認する。

C02　特性X線の発生原理と種類

たなまる — Fri, 12 Sep 2025 11:40:51 +0000

X線は一見同じに見えますが、エネルギー分布をみてみると、原子ごとに特定のエネルギーだけが強く現れます。

電子が金属ターゲットに衝突すると、まずは連続的なエネルギーのX線（制動放射線）が発生します。
そのスペクトルの中に、針のように尖ったエネルギーピークが混ざります。
これを特性X線と言います。

この記事では、電子衝突で内殻に空位が生じる → 外殻から電子が落ちる → その差分エネルギーがX線として放出される流れを、解説していきます。
あわせて、K_α・K_βなどの呼び名の意味や、制動放射線との違いも整理していきます。

なぜピークのエネルギーが元素ごとに異なるのかは、原子番号に結びついたエネルギー準位差にあります。
この仕組みを押さえておくと、装置によってターゲット材（WやMoなど）が異なる理由、撮影条件の考え方などにつながっていきます。

特性X線とは何か？

X線管で発生する放射線には大きく分けて2種類あります。
ひとつは連続的に広がる制動放射線、もうひとつは元素固有の位置に鋭く現れる特性X線です。
まずはこの2つの違いと、特性X線がどうやって生まれるのかを見ていきましょう。

制動放射線とのちがい

この図はX線管球から放出される「X線」の総合的なエネルギースペクトルです。
この中には制動放射線も特性X線も両方が含まれています。
このエネルギースペクトルについてはC8記事で詳しく触れていきます。

制動放射線は、加速された電子が金属ターゲットの原子核に近づいたときに進路を曲げられ、急激に減速されることで発生します。
電子が持っていた運動エネルギーの一部がX線に変わるため、放出されるエネルギーは「0から最大値まで連続的」に分布します。
このため、スペクトル上ではなだらかな山型の分布として観測されます。
上のグラフだと青いエリアです。

一方、特性X線は連続分布の上に「針のように立ったピーク」として現れます。
上のグラフの赤いエリアです。
位置は元素ごとに決まっており、電子が何度衝突しても同じ場所に現れます。
言い換えれば、制動放射線は“偶然の結果として広く出るX線”、特性X線は“原子の構造に由来して決まった場所に出るX線”です。
この違いを押さえることが、特性X線を理解する第一歩になります。

特性X線の発生メカニズム

特性X線は「電子殻の入れ替わり」によって発生します。
高速の電子がターゲット原子に衝突すると、K殻やL殻といった内殻の電子が弾き飛ばされて空席（空位「くうい」）が生じます。
すると、外側の殻にいた電子がその空席に落ち込み、余分なエネルギーを放出します。
この電子の移動を遷移と言い、余分なエネルギーは特性X線として放出されます。

この放出エネルギーは光子の形をとり、ちょうどX線の波長域にあたります。
重要なのは、このエネルギーが「原子の内殻と外殻のエネルギー差」で決まるという点です。
原子番号が変われば殻のエネルギー構造も変化するため、ピークの位置は元素ごとに固有になります。

このようにして生じる「元素固有の鋭いピーク」こそが特性X線であり、元素分析や医療画像の基盤となっているのです。

電子が移動するのって何てったっけ？

牛助

遷移じゃなかったでしたっけ？

たまのすけ

電爺

そうそう。遷移（せんい）じゃよ。
たまのすけ、よく覚えておったの。
まっ、簡単に言えば、電子の引っ越しみたいなもんじゃな。

たなまる

つまり、空位があると遷移が起こる。
その結果として特性X線が放出されるというメカニズムなんだ。

エネルギー準位と遷移の仕組み

原子の電子は殻ごとにエネルギー準位が決まっています。
ここで言う「居場所のエネルギー」は、このエネルギー準位のことです。
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で学んだとおり、内側の殻ほど束縛が強く、電子を引きはがすにはより大きなエネルギーが必要になります。
この殻間のエネルギー準位の差こそが、特性X線のエネルギーであり、図のピーク位置を決めます。

内殻にできる空位

加速電子がターゲット原子に衝突し、K殻やL殻などの束縛エネルギーを上回ると、内殻電子をはじき飛ばすことができます。
つまり、電離が起こります。
※電離についてはA24：電離と励起のちがいをやさしく解説をご参照ください。
その結果、内殻に空位（穴）が生じます。
入射電子のエネルギーが不足していれば空位はできず、制動放射線だけが増えます。

空位が生じた原子は不安定です。
安定化のため、外側の殻にいた電子が空位を埋めに遷移してきます。

外殻からの電子遷移

空位ができた原子は非常に不安定です。
安定化のため、より外側の殻にいた電子が内側へ落ち込み、空位を埋めます。
この過程を遷移と呼びます。

遷移によって、元の殻と落ち込む先の殻のエネルギー準位差が放出されます。
放出の仕方は二通りあります。
ひとつは光子（X線）として放出する経路で、これが特性X線のピークになります。
もうひとつは近くの電子にそのエネルギーを渡し、その電子が飛び出すオージェ過程です。

どちらが起こりやすいかは元素によって異なります。
一般に原子番号が大きいほど光子放出の確率（X線蛍光収率）が高く、ピークがはっきり現れます。
原子番号が小さい元素ではオージェ過程が優勢になり、ピークは弱くなります。

また、最初の遷移で別の殻に新しい空位が生じることがあります。
その空位を埋めるために、さらに外側から電子が落ち……と空位が外側へ順々に移っていく連鎖が起こります。
この連鎖をカスケード（cascade）と呼びます。
連鎖の各ステップがそれぞれ固有のエネルギー差をもつため、ピークが複数本立つのです。
（例：L→K が K_α、M→L が L_α に対応）

たなまる

原子核を駅に見立てると、内殻は駅近物件。
そりゃ、みんな駅に近い家に住みたいよね。
だから、内殻に空位ができると、みんなこぞって遷移してくるんだよ。
この集団遷移がカスケードだよ。

電爺

駅近物件は狭いことが多いからのぅ。
余計な荷物は持っていけんのじゃ。
じゃから、余計な荷物は捨てなきゃならん。
特性X線のようにな。

特性X線のエネルギー

特性X線のエネルギーは、遷移前後のエネルギー準位の差で決まります。
式で表すと、 E_γ = E _上位準位 − E _下位準位 = hν です。

この準位差は原子番号に依存するため、元素が変わればピークの位置（エネルギー）も必ず変わります。
このように、特性X線は特定の準位間でのみ生じるため、放出されるエネルギーも特定の値に限られます。
その結果、X線スペクトル上では「針のように鋭く立つ線」として現れ、これを線スペクトルと呼びます。
つまり、特性X線は原子構造そのものを反映した“原子固有の指紋”のようなX線なのです。

一方で、管電流や照射時間を変えても位置は動かず、主に高さ（強度）だけが変化します。

内殻に空位を作るには、その殻の束縛エネルギー以上の入射エネルギーが必要です。
たとえばK殻の空位を作れなければ、K殻特性X線のピークは出現しません。
十分なエネルギーで空位ができ、L→K の遷移が起これば K_α のピークに、続く M→L の遷移が起これば L_α のピークになります。

電子軌道の間隔は、原子核から離れるほど狭くなっていきます。
そのため、K_αX線とL_αX線を比べると、K_αX線の方がエネルギーが大きくなります。

ここまでが「ピークの位置＝準位差」で決まるという骨格です。
次節では、この関係が元素ごとにどう並ぶか（K系列・L系列、モーズレーの関係）を整理します。

特性X線の種類

連続成分の上に立つ離散的なピークは、どの殻に空位があったかによって体系的に分類できます。
ここでは「系列」と「α／βの違い」、そして「原子番号との関係」を整理します。

K系列とL系列

系列（series）は、空位ができた殻で名前が決まります。
K系列は K殻に空位 ができ、上位の殻から電子が落ちてくる遷移の総称です。
L系列は L殻に空位 ができ、さらに外側の殻から電子が落ちてくる遷移の総称です。

系列が出現するには、入射電子のエネルギーがその殻の束縛エネルギー（吸収端）以上であることが必要です。
たとえば K系列を出すには、K殻の束縛エネルギーを超える加速電圧が必要になります。

K_α線とK_β線の違い

α／βは遷移の段差（Δn）で整理します。
α：Δn＝1 の遷移（例：L→K、M→L など）です。
β：Δn＝2以上の遷移（例：M→K、N→K、N→L など）です。
※一部の教科書では K_γ などの表記がありますが、本サイトでは国試の扱いに合わせて「βに包含」します。

ちょっと表現が難しいです。

たまのすけ

たなまる

すぐ隣の殻からの遷移が α
それ以上の離れた殻からの遷移が β
という感じになっているよ。

K系列の代表例は次のとおりです。

K_α：L→K の遷移。
K_β：M以降→K の遷移。

エネルギーは K_β ＞ K_α（短波長側）となります。
強度は多くの元素で K_α の方が大きく、スペクトルでも最も目立つピークになりやすいです。

L系列でも考え方は同じで、たとえば L_α は M→L の遷移に対応します。
カスケードの例としては、まず L→K（K_α） が起こり、その後 M→L（L_α） が続く、といった連鎖が典型です。

K_αとK_βでは、一般にK_αの方が発生率（強度）が高くなります。
理由は、Δn＝1 の遷移（L→K）がΔn＝2 以上の遷移（L以上外→K）よりも起こりやすく、遷移確率が大きいためです。

したがって、同じ元素のスペクトルではK_αピークが最も高く、K_βピークはそれより低く現れます。
一方で、エネルギーは K_β ＞ K_αとなり、高エネルギー側にK_βのピークが位置します。

装置条件で管電流や照射時間を増やすと強度は全体に上がりますが、K_α＞K_βという相対関係は変わりません。
ピークの位置は準位差で決まり、装置条件では動きません。

（グラフ1では、赤いピークのうち低エネルギー側（左）がK_α、高エネルギー側（右）がK_βに対応します。）

電爺

この辺り、良く出題されるんじゃよ。

たなまる

そうですね。
「遷移確率」は「発生頻度」とも「放出確率」とも表記されることがあるよ。

モーズレーの法則と原子番号の関係

同じ種類のピーク（例：各元素の K_α）について観測周波数の平方根を原子番号に対してプロットすると直線になります。
これはモーズレーの関係で、要点だけ言えば
ピークのエネルギー ∝（Z − σ）²（σは内殻遮蔽を表す定数）
という振る舞いを示します。

したがって、元素が変わるとピークの位置は系統的にずれていきます。
この性質は、ターゲット材の選択理由の理解や、スペクトルから元素を推定する場面に直結します。

たなまる

モーズレーの法則は振動数（エネルギー）が原子番号に依存していることを表した式だよ。

実際の過去問を見てみよう。

2010年に実施された第62回からのご紹介。
この年以外にも、頻繁に出題される分野です。

第62回　2010年　問46
特性X線で正しいのはどれか。2つ選べ。

エネルギーは元素固有である。
K_αの放出確率はK_βよりも小さい。
K_αのエネルギーはK_βよりも小さい。
エネルギースペクトルは連続である。
蛍光収率は原子番号が大きいほど小さい。

解答を確認する。

B01　放射線の定義

たなまる — Tue, 09 Sep 2025 14:21:37 +0000

「放射線」とは聞くけど、結局はなんなの？
…そんな疑問を持っている人、多いんじゃないでしょうか？

ここでは、放射線の基本的な定義と、その大まかな分け方をシンプルに解説していきます。

エネルギーを運ぶ存在としての放射線を「波」と「粒子」という二つの視点から整理し、どういう仲間がいるのかをざっくり確認します。

これは教科書的に整理された基礎知識であり、医療や放射線技術を学ぶ上での出発点になります。
まずはこの土台をしっかり押さえておきましょう。

放射線とは何か？

「放射線」という言葉を聞くと、多くの人はちょっと構えてしまいますよね。
医療関連のニュースや原発関連の話題でもよく登場するので、なんとなく怖いイメージを持ってしまうことも少なくありません。

でも、皆さんは放射線で仕事をしようとしています。
なんとなくのイメージではなく、正確な知識を要求されてしまいます。

では、そもそも放射線とは何でしょうか？
シンプルに言えば、「エネルギーを運ぶ波や粒子」のことを指します。

放射線そのものは人間の目で直接見ることはできません。
しかし、物質にぶつかると光を出したり、化学変化や電気的な変化を起こしたりするため、私たちはその影響を通して放射線の存在を知ることができます。

つまり、見えなくても確かに存在し、物質を通過したり物質と作用したりします。
――それが放射線の特徴です。

ここでいう「放射線」は医療で扱う放射線を指します。
物理的な「放射線」とは定義が異なりますのでご了承を。

まずは定義の確認

放射線という言葉は、いろいろな教科書で説明のしかたが微妙に異なります。
ですが、本質はどれも同じで、次の2つの能力に集約されます。

放射線は、空間や物質を通してエネルギーを伝える能力をもつ。
放射線は、物質を電離させる能力をもつ。

この2つがそろって初めて我々が扱う「放射線」と呼ぶことができます。
つまり、放射線とは「エネルギーを運びながら、物質を変化させる力をもつ存在」なのです。

たとえば、光や電波もエネルギーを伝えていますが、電離を起こすほど強くはありません。
電子をはじき飛ばしたり、原子に変化を与えたりすることができないため、これらは放射線とは呼びません。
※エネルギーが低すぎると、電離の能力が失われます。こうなると、我々の業界では放射線として扱わなくなります。

逆に、医療で扱うX線やγ線、または粒子線のように、物質中の電子を飛ばす力をもつものこそが、
放射線の仲間ということになります。

※物理的には「放射線」でも、我々の分野では電離を起こせるものだけが「放射線」として扱われます。

なんでエネルギーが低いと、
放射線として扱わないんや？

良い質問だね。
エネルギーが低いと電離が起こらないんだ。
つまり被ばくしないってこと。

危険性が低いから放射線として扱わないのね。

放射線を構成する2つのタイプ

「放射線は、空間や物質を通してエネルギーを伝える能力をもつ。」
この定義から、放射線とは電磁波および運動エネルギーを持った粒子線をいいます。

放射線にはいくつかの種類がありますが、この定義からもわかるように、
放射線とは波としての放射線（電磁波）と、粒としての放射線（粒子線）の両方を含む言葉です。

たとえば、X線やγ線は電磁波の仲間、α線やβ線・中性子線は粒子線の仲間です。
この2つの姿を押さえておくことが、放射線の理解を深める第一歩になります。

放射線と物質の相互作用

放射線が物質に入ると、ただ通り抜けるわけではありません。
途中で電子をはじき飛ばしたり、軌道を変えたり、エネルギーを失ったりと、
さまざまな変化を引き起こします。

こうした現象をまとめて「放射線と物質の相互作用」と呼びます。
ここでは、放射線が物質に及ぼす4つの主要な作用を順に見ていきましょう。

① 電離

放射線が原子に衝突して、軌道電子を原子外へ放出する現象です。
放出された電子を電離電子といい、この現象が起こることで物質は電離した状態になります。
医療分野では、この電離作用こそが放射線の影響や効果の中心にあります。

② 励起

放射線のエネルギーが電子に伝わり、電子が外側の軌道へ移動する現象です。
電子が飛び出すほどではないため電離は起こりませんが、
物質内部での化学的変化や発光などのきっかけとなります。

③ 反跳

放射線が原子核に衝突して、核を動かす現象です。
粒子線のように質量をもつ放射線では、この反跳が特に顕著に現れます。
反跳によって生じた運動エネルギーは、物質内でさらなる変化を引き起こします。

④ 制動放射

荷電粒子が原子核のそばを通過するとき、
そのクーロン力によって進む方向が曲げられ、運動エネルギーの一部を失います。
このとき失われたエネルギーが制動放射線として放出される現象です。

医療分野では、X線がこの制動放射によって生み出されていることを学びます。
放射線の発生原理を理解するうえで、欠かせない現象の一つです。

まとめ

今回は、放射線の定義や種類、そして物質との相互作用について見てきました。
ここで学んだ内容は、この後の放射線物理学を理解するための土台になります。
最後にポイントを振り返っておきましょう。

放射線とは、エネルギーを伝える能力と物質を電離する能力をもつ。
医療で扱う放射線は、電磁波と粒子線の2つに大きく分けられる。
放射線が物質と相互作用すると、電離・励起・反跳・制動放射が起こる。
電離作用は、医療で利用される放射線の性質を理解するうえで特に重要である。

まずは、この4つの名前と特徴をセットで覚えてしまいましょう！

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。

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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強い力・弱い力・電磁気力・重力って何？自然界の4つの力まとめ

たなまる — Sun, 22 Jun 2025 13:47:33 +0000

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。

名称	力の対象	媒介粒子	力の大きさ
強い力	クォーク	グルーオン	100
電磁気力	荷電粒子	光子	1
弱い力	クォーク	Wボソン、Zボソン	1/1000
重力	ヒッグス	ヒッグス	10^-38

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
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診療放射線技師・医療系専門学校専任教員。

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
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ほか、放射線関連国家資格を保有

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電離と励起の違いとは？国家試験に出る放射線物理の基本を図で理解

たなまる — Wed, 18 Jun 2025 02:18:54 +0000

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

A03　放物シリーズ完全対策！力学的エネルギーとその単位（J・eV）をわかりやすく解説

たなまる — Thu, 12 Jun 2025 04:21:01 +0000

みなさん、こんにちは。

さて、放射線技師を目指すみなさんは

「エネルギー」

と聞いてどんな単位を思い浮かべますか？

高校で物理を学んだ方は　[ J ]　ですかね？
ダイエットの経験がある方は　[Cal]　でしょうか？
電気に明るい方は　[Wh]　を思い浮かべた方もいるのでは？
放物の勉強が進んできた方は　[eV]　が思い浮かぶでしょうか？

そう、一口に「エネルギー」と言われても、
「どれだ？」ってなってしまいますよね。

今回は放物で主に扱うエネルギーの単位2種類をご紹介するとともに、
答えるべき単位の見極め方を覚えていってもらいます。

これが分かると、
吸収線量や阻止能などエネルギーを代入する計算問題でも苦手意識がなくなり、
得点アップ間違いなしです。

J（ジュール）でエネルギーを計算してみよう

加速された粒子がどれだけのエネルギーを持つかは、
「電圧」と「電荷」から計算できます。

放射線の分野では、電子や原子核に高い電圧をかけて加速する場面がよく登場します。

そのときのエネルギーをジュール（J）で求めるためには、
「電荷 × 電圧」という公式が基本になります。

エネルギーの単位って何だっけ？という方は、
A02：放射線物理に必要な物理単位まとめ｜速度・圧力・電気など16個を簡単整理
をご一読ください。

公式「電荷×電圧」を使う理由

エネルギーとは、「力 × 距離」で求められる量です。
しかし、電気的な場面では、
「電圧をかけて電荷を動かしたときに生じるエネルギー」
として考えられます。

このときに使う公式が以下の式です。

$$
E=\left|Q\right| \times V
$$

ここで

E：エネルギー（単位：J）
Q：電荷（単位：C）
V：電圧（単位：V）

となります。

数値を代入してJで求めてみよう

今回は、⁴He原子核（質量数4、原子番号2）を3 MVの電圧で加速したときのエネルギーを計算してみましょう。

問題では、He原子核の電荷が 3.2 × 10^-19 C と与えられています。

このとき、エネルギーEは次のように求められます。

$$
\color{#B22222}{
\begin{aligned}
E&=\left|Q\right| \times V \\[6pt]
&=\left|3.2 \times 10^{-19}\right| \times 3 \times 10^6 \\[6pt]
&=9.6 \times 10^{-13} \,\mathrm{[ J ]}
\end{aligned}
}
$$

つまり、エネルギーは「9.6 × 10^-13 J」になります。

このように、ジュール（J）で求めるときは、電荷と電圧をそのまま掛け算すればOKです。

電荷と電圧をそのまま掛けると J になるのね。

そうだね。
10の指数が出てくるけど、式の構造自体は簡単だね。

同じ問題をeVで解いてみよう

前のセクションでは、電荷と電圧を掛け算することで、
エネルギーをジュール（J）で求める方法を確認しました。

次は同じ問題を、エレクトロンボルト（eV）で解いてみましょう。

eVは、放射線のエネルギーや粒子の加速エネルギーを表すときによく使われる単位です。
特に医学や物理の分野では、JよりもeVやMeV（メガエレクトロンボルト）の方がよく登場します。

ジュールを「e」で割るとeVになるって？

エレクトロンボルト（eV）は、電子1個が1ボルトの電圧で加速されたときに得るエネルギーとして定義されます。

このとき基準になるのが、電子1個がもつ電気量の絶対値、
すなわち電気素量（電気の最小単位）です。

電子の電荷は −1.6 × 10^-19 C という負の値ですが、
エレクトロンボルトの定義に使われるのはその絶対値（電気素量）である1.6 × 10^-19 C です。

eVで求めるときは、「粒子が何個分の電気素量を持っているか」を考えます。

今回のヘリウム原子核の電荷は 3.2 × 10^-19 C ですから、電気素量の2個分に相当します。

それでは、エネルギーをエレクトロンボルトで求めてみましょう。
エネルギーは「電荷 ÷ 電気素量 × 電圧」で計算できます。

$$
\color{#B22222}{
\begin{aligned}
E &= \frac{\left| Q \right|}{e} \times V \\[6pt]
&= \frac{\left|3.2 \times 10^{-19}\right|}{1.6 \times 10^{-19}} \times 3 \times 10^6 \\[6pt]
&= 2 \times 3 \times 10^6 \\[6pt]
&= 6 \times 10^6 \, \mathrm{[eV]}\\[6pt]
&= 6 \, \mathrm{[MeV]}
\end{aligned}}
$$

つまり、エレクトロンボルトだと「6 × 10⁶ eV」 という結果が得られます。

単位をMeVに換算しておこう

6 × 10⁶ eV のように桁が大きいと、実際の問題では少し扱いにくく感じることがあります。
そこで、よりスマートに表記するために使われるのが、
MeV（メガエレクトロンボルト）という単位です。

1 MeV = 10⁶ eV

ですので、

6 × 10⁶ eV = 6 MeV

となります。

よって、エネルギーは「6 MeV」です。

これで、ジュール（J）でもエレクトロンボルト（eV）でも、
同じ物理量を違う単位で表すことができるようになりました。

どちらの単位も使いこなせるようになることが、
放物に限らず放射線の世界では大切になります。

ほんま紛らわしいわ～

eVと J を自由に行き来できるようになると
スッキリするよ。
計測学でも大事な知識だね。

1 eV = 1.6 × 10^-19 J を覚える意味

エレクトロンボルトとジュールは、どちらもエネルギーを表す単位です。
この2つは、ただの「単位の違い」ではなく、
使われる場面やスケールの違いに意味があります。

放射線や原子レベルの現象では、
ジュールだと値が小さくなりすぎてしまい、扱いにくくなります。

一方、日常生活や機械的な運動の世界では、ジュールの方が一般的です。

そのため、1 eV = 1.6 × 10^-19 J という換算式は、2つの世界（マクロとミクロ）をつなぐ橋渡しのような役割を果たしているのです。

マクロがデカい世界で
ミクロが小さい世界なや。

そう。
マクロだと J で
ミクロだと eV って感覚かな。

放射線の世界でなぜ頻出なのか？

放射線のエネルギーは、たとえばX線で数十 keV、
陽子線や重粒子線では数百 MeVといった単位で語られます。

このような世界では、エレクトロンボルト単位の方がスケール的にちょうどいいのです。

一方で、エネルギーをジュールで扱う計算問題も登場するため、
両方の単位を理解しておくことが不可欠です。

試験では、問題文をよく読んで、
J で聞かれているのか eV で聞かれているのか
を判断しなければなりません。

JとeVを自由に行き来できるようにするために

単位換算を正確にできるようにするためには、1 eV = 1.6 × 10^-19 J という関係を、
ただ「知っている」だけでなく、「使える」状態にしておくことが大切です。

この数値は覚えやすくはありませんが、何度か問題を解くうちに慣れてきます。
繰り返し出てくる公式なので、計算しなくても自然に手が動くくらいにしておきたいところです。

また、逆にジュールからeVに換算したいときは

$$
1 \:\mathrm{ J }=\frac{1}{1.6\times 10^{-19}} \:\mathrm{ eV } \simeq 6.25\times10^{18}\:\mathrm{ eV }
$$

このような逆方向の換算式も、余裕があれば見慣れておくとさらに理解が深まります。

ただし、国家試験では換算そのものよりも「どの単位で答えるべきか」を見極めることが重要です。

問題文で [J] と書かれていれば J で答える。
[eV]、[keV]、[MeV] と書かれていれば eV 系の単位で答える。

計算が合っていても、最後の単位を間違えると失点になってしまいます。

「今、自分はどの単位で計算しているのか？」

を意識しながら問題を解くようにしましょう。

実際の問題を見ていきましょう

2014年に実施された第66回からのご紹介。

第66回　2014年　問41

波長が 0.041 nm である光子のエネルギー [keV] はどれか。
ただし、プランク定数 = 6.6×10⁻³⁴ [Js]、光速度 = 3.0×10⁸ [m/s]、1 eV = 1.6×10⁻¹⁹ [J] とする。

解答を確認する。

A02　放射線物理に必要な物理単位まとめ｜速度・圧力・電気など16個を簡単整理

たなまる — Fri, 06 Jun 2025 02:10:21 +0000

単位ってたくさんあるけど、
どの単位を覚えたらよいか、
どこから手を付けたらよいか悩ましいですよね。

私もかつてそうでした。
単位は大事だから覚えろ！覚えろ！覚えろ！・・・
と言われ続けてきました。

このページではよく出てくる単位をリストアップしてあります。
一気に覚えられなくても大丈夫。
使いながら覚えていきましょう。

単位を理解することは、
単位の問題で得点できるようになるだけでなく、
計算問題の立式にも役立ちます。

放射線物理の学習に欠かせない「単位」の世界

放射線物理で登場する公式ってたくさんあります。
しかも、初めて見るものも多いでしょうし、
一見すると暗号のように感じられるものもあります。

ですが、落ち着いて見てみると・・・
その多くは「物理量と単位の組み合わせ」でできています。

たとえば、速度の単位は m/s。
これは「距離（m）を時間（s）で割ったもの」という意味です。

また、力の単位 N（ニュートン） は kg・m/s² に分解でき、
「質量 × 加速度」であることが見えてきます。

このように、
単位は“意味のある組み合わせ”でできているのです。

まずはこの記事で紹介する物理量と単位の一覧を掲載しておきます。

物理量	単位（記号）	補足など
速度	m/s	距離 ÷ 時間
加速度	m/s²	速度 ÷ 時間
力	N（kg・m/s²）	質量 × 加速度
仕事	J（N・m）	力 × 距離
仕事率	W（J/s）	仕事 ÷ 時間
エネルギー	J, eV	エネルギーの大小で使い分け
熱量	J, cal	熱の量を示す
圧力	Pa（N/m²）	力 ÷ 面積
体積	m³	長さ × 幅 × 高さ
密度	kg/m³, g/cm³	質量 ÷ 体積
電荷（電気量）	C	電流 × 時間
電位差（電圧）	V	電荷に働く力の大きさ
静電容量	F	電荷 ÷ 電位差
電流	A（C/s）	電荷 ÷ 時間
電力	W（J/s）	エネルギー ÷ 時間
抵抗	Ω	電位差 ÷ 電流

まずは押さえたい！力学系の基本単位8つ

放射線物理の公式には、「力」や「エネルギー」といった力学的な概念がたくさん出てきます。
でも、それらはすべて「基本的な物理量」が土台になっています。

ここでは、そうした土台になる力学系の基本単位8つを、順に確認していきましょう。

速度の単位【m/s】

速度の単位は 【m/s】 です。

これは、

🟦 単位時間あたりに進んだ距離

を表しています。

たとえば「1秒間に1メートル進む」のであれば、それは 1 m/s という速度です。
これは「距離（m）を時間（s）で割ったもの」と考えるとわかりやすいですね。

逆に、10[km/h] という速度は「1時間で10km進む」ことを意味しています。
これをm/sに換算すると 10 ÷ 3.6 ≒ 2.78 [m/s] になります。

このように、速度の単位は「移動の速さ」を具体的に数値で表すものとして重要です。

加速度の単位【m/s²】

加速度の単位は 【m/s²】 です。

これは、

🟦 単位時間あたりに変化した速度の割合

という意味です。

たとえば、1[m/s]の速さで動いていた物体が、2秒後に5[m/s]の速さで動いていたとしましょう。

このとき速度の変化量は 5 − 1 = 4[m/s]。
これをかかった時間 2秒で割ると、加速度は 4 ÷ 2 ≒ 2[m/s²] となります。

つまり加速度は、「速度の増え方を1秒ごとに見る」イメージです。

速度は速さそのものを、加速度はその「変化の速さ」を表すという違いがあります。

力の単位【N, kg・m/s²】

力の単位は 【N（ニュートン）】 です。
また、1Nは 【kg・m/s²】 に分解することができます。

その定義は、

🟦 物体に加速度を与える原因となる外からの影響の大きさ

たとえば 2kg の物体を 3[m/s²] の加速度で動かすためには、
F = m × a = 2 × 3 = 6[N] の力が必要ということになります。

この「F = ma」という関係は、高校物理でよく登場する基本式ですね。

単位を分解してみると、

質量：kg
加速度：m/s²

→ よって力：kg・m/s²

つまり、「質量 × 加速度」という意味のある掛け算で、
ニュートンという単位が成り立っているのです。

どうかな？
単位も意味を考えると理解しやすいんじゃないかな？

仕事の単位【J, N・m】

仕事の単位は 【J（ジュール）】 です。
また、N・m（ニュートンメートル） とも表されます。

定義としては、

🟦 物体に力を加えて動かしたときに生じるエネルギー

です。

たとえば、10[N] の力で物体を 2[m] 動かした場合、
仕事 W = F × d = 10 × 2 = 20[J] となります。

このように、「力 × 距離」という形で計算され、
仕事をしたぶんだけエネルギーを消費したことになります。

仕事率の単位【W, J/s】

仕事率の単位は 【W（ワット）】 です。
また、J/s（ジュール毎秒） とも表されます。

定義は、

🟦 単位時間あたりに行った仕事の量

です。

たとえば、60[J] の仕事を 2秒で行ったとすると、
仕事率 P = 60 ÷ 2 = 30[W] になります。

このように、「仕事 ÷ 時間」という形で計算され、
「どれだけ短時間のうちにエネルギーを使ったか」を示す指標になります。

圧力の単位【Pa, N/m²】

圧力の単位は 【Pa（パスカル）】 です。
また、N/m²（ニュートン毎平方メートル） とも表されます。

定義としては、

🟦 面積あたりに加わる力の大きさ

です。

たとえば、同じ50[N]の力でも、
1m² にかければ 50 ÷ 1 = 50[Pa]、
0.01m² にかければ 50 ÷ 0.01 = 5000[Pa]
と圧力は大きくなります。

つまり、「同じ力でも、面積が小さいほど圧力が大きくなる」という性質があります。

体積の単位【m³】

体積の単位は 【m³】（立方メートル）です。

定義はシンプルで、

🟦 物体が占める空間の大きさ

です。

体積は、縦 × 横 × 高さ で計算できます。

たとえば、各辺が 1[m] の立方体なら、
1 × 1 × 1 = 1[m³] の体積をもつということになります。

1mを3つ掛け合わせたから、単位も3つを掛けたものと考えます。

放射線物理では「密度」とセットで出てくることが多いので、次とあわせて理解しましょう。

密度の単位【g/cm³, kg/m³】

密度の単位は 【kg/m³】 または 【g/cm³】 です。

その定義は、

🟦 単位体積あたりの質量

です。

大きさと重さのバランスの概念です。

たとえば、1m³ に 500kg の物体が詰まっていれば、
密度は 500 ÷ 1 = 500[kg/m³] ということになります。

つまり、「質量 ÷ 体積」という形で表され、
同じ大きさでも中身が詰まっていれば密度が大きくなるという直感と一致します。

電気系の単位もしっかり確認しよう

放射線物理では、電気に関わる概念もたびたび登場します。

特にX線管や加速器、コンデンサに関連する場面では、
電荷や電圧、電力などの単位を正しく理解しておくことが大切です。

ここでは、電気に関する6つの基本単位について、
それぞれの意味と計算の関係を確認していきましょう。

電荷（電気量）の単位【C】

電荷（電気量）の単位は 【C（クーロン）】 です。

定義としては、

🟦 電流が一定時間流れたときに移動する電気の量

です。

たとえば、1アンペア（1A）の電流が1秒間流れたとき、
電荷は 1 × 1 = 1[C]（クーロン） となります。

つまり、電荷 Q = 電流 I × 時間 t　という関係が成り立ちます。

電位差（電圧）の単位【V】

電位差（電圧）の単位は 【V（ボルト）】 です。

定義は、

🟦 電荷を移動させるために必要なエネルギーの強さ

です。

たとえば、1[C] の電荷を 5[V] の電圧で加速したとき、
得られるエネルギーは 1 × 5 = 5[J] になります。

このことから、J = C × V の関係があることがわかります。

静電容量の単位【F】

静電容量の単位は 【F（ファラド）】 です。

その定義は、

🟦 電位差あたりに蓄えられる電荷の量

です。

言い換えると、F = C ÷ V。
たとえば、1[V] の電圧で 3[C] の電荷を蓄えられるなら、容量は 3[F] です。

放射線機器では、コンデンサに蓄えられたエネルギーが一気に放出される場面もあり、容量の単位も重要です。

電流の単位【A, C/s】

電流の単位は 【A（アンペア）】 または 【C/s（クーロン毎秒）】 です。

定義としては、

🟦 単位時間あたりに流れる電荷の量

です。

たとえば、2[C] の電荷が1秒間で流れた場合、電流は 2 ÷ 1 = 2[A] となります。

式で表すと、I = Q ÷ t。

電力の単位【W, J/s】

電力の単位は 【W（ワット）】 または 【J/s（ジュール毎秒）】 です。

定義は、

🟦 単位時間あたりに使われるエネルギーの量

です。

たとえば、10[J] のエネルギーを2秒で使った場合、電力は 10 ÷ 2 = 5[W]。
つまり、P = E ÷ t という形で表されます。

この「どれだけ短時間のうちにエネルギーを使ったか」が電力の意味です。

抵抗の単位【Ω】

抵抗の単位は 【Ω（オーム）】 です。

定義は、

🟦 電流の流れにくさ（電気の通しにくさ）

です。

オームの法則 V = I × R により、R = V ÷ I の形で求められます。

たとえば、5[V] の電圧で1[A] の電流が流れるとき、抵抗は 5 ÷ 1 = 5[Ω] です。

エネルギーと熱の単位も理解しよう

ここからは、放射線物理でとてもよく登場する エネルギー と熱量の単位を確認していきます。

どちらも物理では基本的な量ですが、
単位の種類が複数あったり、
似た記号が登場したりして混乱しやすい領域です。

ここで整理しておくと、
後に出てくる電離・励起・光子エネルギーなどの話がスムーズにつながります。

エネルギーの単位【J, eV】

エネルギーの単位は【J（ジュール）】と【eV（エレクトロンボルト）】です。

定義は、

🟦 エネルギーとは仕事をする能力

ですが、放物では

🟦 電荷を電圧で加速したときに得られるエネルギーの大きさ

として扱うことが多いです。

たとえば、電荷量が Q［C］の粒子に V［V］の電圧をかけるとき、
その粒子が得る運動エネルギー E は

$$
\color{#B22222}{
E=\left|Q\right| \, V \mathrm{[J]}
}$$

と表されます。
「電荷量 × 電圧」でエネルギーが決まる、という形になっていることを確認しておきましょう。

電子 1 個の電荷は、電気素量 e（約 1.6×10⁻¹⁹［C］）です。
この電子 1 個を V［V］だけ加速したときのエネルギーは

$$
E= V \mathrm{[eV]}
$$

となります。
これが「1 eV は電子 1 個を 1 V だけ加速したときのエネルギー」という定義につながります。

そして、電子1個が1[V]の電圧で加速したときに得られる運動エネルギーEは　1　[eV]と表される。

同じ考え方を一般の電荷量 Q に広げると、エネルギーを eV で表した式は

$$
E=\frac{\left|Q\right|}{e} \times V \mathrm{[eV]}
$$

となります。
放射線の世界では、X線やガンマ線の光子エネルギー、加速電子のエネルギーなどを表すときに、この【eV】（やその倍数の【keV】【MeV】）がよく使われます。

熱量の単位【J, cal】

熱量の単位は【J】と【cal（カロリー）】です。

定義は、

🟦 水 1 g の温度を 1 ℃ 上げるのに必要なエネルギーの量

です。

カロリーはもともと熱を扱う分野で使われてきた単位で、
現在は SI 単位である【J】に換算して扱います。

両者の関係は

1 cal ＝ 4.2 J

となります。

エネルギーも熱量も、本質的には同じ「エネルギー」の仲間です。
単位の意味と、この換算関係を押さえておくと、
のちに出てくる線量や線量当量の学習がぐっと整理しやすくなります。

実際の問題を見ていきましょう

今回は第1種放射線取扱主任者試験からの1題です。
2016年に実施された第61回から。

第61回　2016年　問23
次の単位の組み合わせで正しいのはどれか。

等価線量　　　　　　　　　$m^2 \cdot kg^{-1} \cdot s^{-1}$
線減弱係数　　　　　　　　$m$
衝突断面積　　　　　　　　$m^{-2}$
粒子フルエンス　　　　　　$m^{-2} \cdot s^{-1}$
質量エネルギー吸収係数　　$m^2 \cdot kg^{-1}$

解答を確認する。

A19　素粒子とクォークの基礎知識

たなまる — Tue, 18 Mar 2025 06:12:23 +0000

「素粒子」「クォーク」…名前を聞いただけで、難解そうに感じる人も多いのではないでしょうか。
そもそも放射線技師に必要なのか？という声まで聞こえてきそうです。

この記事では、素粒子の中でも国試でよく出る「クォーク」と「レプトン」を整理し、最低限押さえておきたいポイントを解説していきます。

アップクォークとダウンクォークの組み合わせ、電子やニュートリノの位置づけなど、試験に直結する部分にしぼって説明します。

素粒子物理の世界は奥深いですが、国試で問われるのはごく一部。
必要な範囲だけを整理すれば、十分に対応できます。

素粒子とはどんなもの？まずは大きな分類から

ここは素粒子についてみていきましょう。

素粒子とは、物質や力をつくる最小の単位であり、これ以上分けることができない基本的な粒子のことを指します。
私たちの体を構成する原子、原子を構成する原子核、そのさらに奥にある陽子・中性子まで分解していくと、最終的に素粒子にたどり着きます。

素粒子は非常に多くの種類がありますが、大きく フェルミ粒子 と ボース粒子 の2つに分類されます。

分類とか出てきたらもう頭パンクするで。

フェルミ粒子とボース粒子

フェルミ粒子
物質そのものを構成する粒子です。
陽子や中性子をつくる「クォーク」、電子やニュートリノといった「レプトン」が含まれます。
これらは「物質の部品」とイメージするとわかりやすいでしょう。

ボース粒子
力を伝える役割を担う粒子です。
電磁相互作用を伝える「光子」、強い相互作用を担う「グルーオン」などが代表です。
ボース粒子は、物質そのものというより「力の仲介役」として働きます。

役割が違うのよね。

そう。
フェルミ粒子は部品そのもの。
ボース粒子は接着剤みたいなものだよ。

国試で注目すべきはこの2つのグループ

素粒子物理学には多くの粒子が登場しますが、診療放射線技師国家試験で必要とされるのはごく一部に限られています。

フェルミ粒子では
- アップクォーク（u）
- ダウンクォーク（d）
- 電子
- ニュートリノ
  この4種類が中心です。
ボース粒子では
- 光子（電磁相互作用を媒介）
- グルーオン（強い相互作用を媒介）
  が出題範囲となります。

試験では「名前」「分類」「代表的な役割」を押さえていれば十分です。たとえば「陽子はu u d」「電子は安定して存在」「ニュートリノは電荷を持たない」など、キーワードを整理して覚えることが得点につながります。

それぞれがなんなのか、どの話題のときに登場するのかを把握していれば、大丈夫です。
それ以上は放射線技師の物理を超えています。
素粒子物理学をやりたい方に任せておけば良いでしょう。
我々の目指すところは、放射線技師であって、物理の専門家ではありませんからね。

反粒子の存在も押さえておこう

また、クォークなどを含む全て粒子には必ず「反粒子」なるものがあります。

反粒子は質量や寿命などの基本的な性質は同じですが、電荷などの一部の性質が逆になっています。

電子に対する反粒子 → 陽電子
ニュートリノに対する反粒子 → 反ニュートリノ

表記としては上にバーが付いたものが反粒子です。
例えば、陽子を $\color{#B22222}{\pmb{p}}$ とするなら、反粒子である反陽子は $\color{#B22222}{\pmb{\bar{p}}}$ となります。

例外もあります。

たとえば光子や中間子の一部は、それ自体が反粒子の性質も兼ねています。
「反粒子がない」のではなく「自分自身が反粒子も担っている」という点に注意しましょう。

オレの他にも反牛助がおるんか？
会うてみたいわ～。

牛助とは性質が逆になるから、
きっと賢いんじゃないかな～？

先生、そりゃ厳しいて。

フェルミ粒子の仲間たち

フェルミ粒子は、物質そのものを構成する役割をもつ素粒子です。
私たちの体や原子をつくっている粒子は、すべてこのフェルミ粒子の仲間だと考えて構いません。
ここでは国試でとくに重要となる「クォーク」と「レプトン」を中心に整理していきます。

クォーク

クォークは陽子や中性子をつくる材料となる粒子です。
6種類（アップ・ダウン・チャーム・ストレンジ・トップ・ボトム）のうち、国試で重要なのは アップクォーク（u） と ダウンクォーク（d） の2種類です。

陽子は「u u d」で構成され、電荷は +1e
中性子は「u d d」で構成され、電荷は 0

この2つをしっかり押さえておけば、計算問題や記述で対応できます。

クォークにも反粒子が存在するんだけど、
国試では名前と組み合わせさえ理解できれば十分だよ。

陽子と中性子のクォーク構成は必須知識です。
よく出題されますから、覚えておいてくださいね。

ハドロンの構成

複合粒子であるハドロンのクォーク構成は国試で頻出されます。
必ず押さえておきたい内容です。

ハドロンとは複合粒子のことで、具体的には核子（陽子と中性子）と中間子が該当します。

「核子」（陽子と中性子の総称）を構成する因子がアップクォークとダウンクォークです。
核子の他に、「中間子」を構成するのもアップクォークとダウンクォークです。

ちなみに、核子も中間子も素粒子を複数個組み合わせているので、「複合粒子」に分類されます。

アップクォークは素電荷量eに対して、$\color{#B22222}{\frac{2}{3}e}$の電荷をもちます。
ダウンクォークは$\color{#B22222}{-\frac{1}{3}e}$の電荷をもちます。

このアップクォークとダウンクォークを3つ組み合わせてみましょう。

例えばuud。電荷で考えると、このようになります。
$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
uud&=\frac{2}{3}e+\frac{2}{3}e-\frac{1}{3}e\\[10pt]
&=e
\end{aligned}
}}$$
最終的に+eの電荷が残りますので、uudのクォーク構造は陽子を示すことになります。

続いてudd。これも電荷で考えていきましょう。
$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
udd&=\frac{2}{3}e-\frac{1}{3}e-\frac{1}{3}e\\[10pt]
&=0
\end{aligned}
}}$$
電荷で考えてみるとこのように0になります。
つまり電荷のない状態。
したがって、uddのクォーク構造は電荷を持たない中性子を示すことになります。

ここまでのクォーク構成は大丈夫かな？
結構出題されるから覚えておいてね。

「ここまで」ってことは
他にもあるのよね？

ではここからは中間子について見ていきましょう。
国試では中間子の構成までは出題されないと思いますが、
ルールさえ分かっていれば難しくはないですよ。

それでは、アップクォークとダウンクォークを2つ組み合わせてみましょう。
まずはアップクォークと反ダウンクォークの組み合わせ。
電荷で考えると、+eの電荷になりますので、π^＋中間子と考えます。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
u\bar{d}&=\frac{2}{3}e+\frac{1}{3}e\\[10pt]
&=e
\end{aligned}
}}$$

続いて反アップクォークとダウンクォークの組み合わせ。
電荷で考えると、－eの電荷になりますので、π^－中間子と考えます。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
\bar{u}d&=-\frac{2}{3}e-\frac{1}{3}e\\[10pt]
&=-e
\end{aligned}
}}$$

どうでしょうか？慣れてきましたか？

なんとなく分かってきたで！

では最後にπ⁰中間子をご紹介しておきましょう。

本当は異なる式構成をしているのですが、電荷的にこちらのほうが理解しやすいので、この式で見ていってください。

素粒子とそれ自身の反粒子で構成されるパターンです。
アップクォークと反アップクォーク、またはダウンクォークと反ダウンクォークの組合せです。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
u\bar{u}&=\frac{2}{3}e-\frac{2}{3}e\\[10pt]
&=0
\end{aligned}
}}$$

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
d\bar{d}&=-\frac{1}{3}e+\frac{1}{3}e\\[10pt]
&=0
\end{aligned}
}}$$

どちらの場合も電荷は0になりますので、π⁰中間子という認識でOKです。
ちなみに、本来のπ⁰中間子はこんな構造です。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\frac{u \bar{u}-d \bar{d}}{\sqrt{2}}
}}$$

中間子にはπ中間子以外にもいろいろあります。
K中間子、D中間子、B中間子などありますが、国試で登場するのは今のところπ中間子だけです。

クォーク 2 個で構成されるのが、中間子。
クォーク 3 個で構成されるのが、核子なのね。

レプトン（電子とニュートリノ）

レプトンの中で注目すべきは電子と ニュートリノ です。

電子：負の電荷をもつ安定した粒子。原子の外殻を回り、化学結合や電流の担い手となる。
ニュートリノ：電荷をもたない粒子。質量はほぼゼロで、β崩壊など弱い相互作用に登場する。

国試では「電子＝安定した存在」「ニュートリノ＝電荷なし・質量ほぼゼロ」というキーワードを押さえておくと安心です。

（陰電子）と陽電子

陰電子（通常の電子）：負の電荷（−e）をもつ安定した粒子。原子の外殻を回り、化学結合や電気の流れを担う。
陽電子：電子の反粒子。質量は同じで、電荷が正（＋e）。医療分野ではPET検査で登場する。

電子と陽電子はお互いの持つ電荷の符号が異なります。
電荷の大きさはどちらも1.6×10^-19[C]で同一です。
正の電荷か負の電荷かで異なります。
当然、陽電子が正、陰電子が負です。
それ以外の質量などの性質も同じです。

異なる点はもう一つ。

安定性です。

電子（陰電子）は安定した粒子であるのに対して、陽電子は不安定な粒子です。

この辺りは消滅放射線の発生で詳しく見ていきましょう。

ニュートリノと反ニュートリノ

ニュートリノ：電荷を持たない、非常に軽い粒子。β崩壊や弱い相互作用に関与。
反ニュートリノ：ニュートリノの反粒子。同じく電荷はゼロ。

ニュートリノと反ニュートリノはβ壊変の際に登場する素粒子です。

「4つの力」もご参照ください。

β壊変系に密接に関係するニュートリノですが、深く問われることはないでしょう。
素粒子としてニュートリノに関することは出題されないかと思います。

β^－壊変では「反ニュートリノ」、β^＋壊変では「ニュートリノ」、EC（軌道電子捕獲）では「ニュートリノ」が放出されることが分かっていれば問題ないです。

ボース粒子の仲間たち

ボース粒子は「力を伝える役割」を担う粒子です。
フェルミ粒子が「物質そのものの部品」だとすると、ボース粒子はその間をつなぐ 接着剤や仲介役 のような存在です。

光子と電磁相互作用

光子は、電磁相互作用を担うボース粒子です。
私たちが扱う電磁波――可視光、X線、γ線など――は、いずれも光子として理解して問題ありません。

診療放射線技師の国家試験では、光子の性質そのものよりも、「電磁相互作用を媒介する粒子である」 という役割が問われます。
医療分野では放射線の理解に直結するため、ここは確実に押さえておきましょう。

「光子の役割＝電磁相互作用の媒介粒子」として覚えておいてね。

グルーオンと強い力

グルーオンは、「強い相互作用」を担うボース粒子です。
陽子や中性子の内部では、クォーク同士を強く結びつける役割を果たしており、その結果として原子核が成り立っています。

フェルミ粒子が物質そのものの部品だとすると、グルーオンはそれらをつなぎ止める 接着剤のような存在 と考えると理解しやすいでしょう。
国試では「グルーオン＝強い相互作用を媒介する粒子」と整理しておけば十分です。

試験での出題範囲はごく限られる

ボース粒子は他にも「Wボソン」「Zボソン」「ヒッグス粒子」などがありますが、診療放射線技師国家試験ではまず出題されません。
国試で覚えるべきは 光子とグルーオン の2種類に絞って大丈夫です。

実際の問題を見ていきましょう。

第66回　2014年　問43
原子核について誤っているものはどれか。

核子は強い相互作用で結合している。
直径はおよそ10^-15 ～ 10^-14 mである。
中間子はクォークと反クォークで構成されている。
1核子あたりの結合エネルギーはおよそ20MeVである。
中性子はアップクォーク1個とダウンクォーク2個で構成されている。

いかがでしょうか？

クォークだけについて出題しているものは見つけられませんでした。
5枝のうち2枝でクォークに関係しているこの問題を選んでみましたが、解けましたか？

解答を確認する。

放射線物理 | 勉強嫌いの放物

第78回 診療放射線技師 国家試験

AMを見ていきましょう

AM60

C05 X線管で生まれる制動放射線の仕組みを理解しよう！

X線はどうやって生まれるの？

電子を加速してターゲットへ

減速すると光る？ 制動放射の基本原理

制動放射の性質をつかもう

なぜ連続スペクトルになるのか

最短波長とデュアン・ハントの法則

制動放射の強度分布を理論で見る

クラマースの式でわかること

クーレンカンプの式とのちがい

電子エネルギーとX線強度の関係

実際の過去問を見てみよう。

C03 オージェ電子の発生と特徴

オージェ電子とは？

特性X線と並ぶ放出の仕組み

内殻の空位が引き金になる

オージェ電子の発生メカニズム

外殻電子が内殻に落ちるとき

エネルギーが別の電子に伝わる仕組み

飛び出す電子＝オージェ電子

特性X線との違いとエネルギー関係

特性X線は結合エネルギーの差

オージェ電子はさらに結合エネルギーを差し引いた値

どちらも線スペクトルとして現れる

発生の確率と原子番号との関係

蛍光収率とオージェ収率

軽い元素ではオージェ電子が優勢

重い元素では特性X線が優勢

実際の過去問を見てみよう。

C02 特性X線の発生原理と種類

特性X線とは何か？

制動放射線とのちがい

特性X線の発生メカニズム

エネルギー準位と遷移の仕組み

内殻にできる空位

外殻からの電子遷移

特性X線のエネルギー

特性X線の種類

K系列とL系列

Kα線とKβ線の違い

モーズレーの法則と原子番号の関係

実際の過去問を見てみよう。

B01 放射線の定義

放射線とは何か？

まずは定義の確認

放射線を構成する2つのタイプ

放射線と物質の相互作用

① 電離

② 励起

③ 反跳

④ 制動放射

まとめ

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

この記事を書いた人

強い力・弱い力・電磁気力・重力って何？自然界の4つの力まとめ

4つの力

強い力

電磁気力

弱い力

β＋壊変に見る「弱い力」

重力

まとめ

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電離と励起の違いとは？国家試験に出る放射線物理の基本を図で理解

電離

励起

電離と励起の違いは？

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J（ジュール）でエネルギーを計算してみよう

公式「電荷×電圧」を使う理由

数値を代入してJで求めてみよう

同じ問題をeVで解いてみよう

ジュールを「e」で割るとeVになるって？

単位をMeVに換算しておこう

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減速すると光る？制動放射の基本原理

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