X線 | 勉強嫌いの放物

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。

C01　X線の定義と種類

たなまる — Wed, 10 Sep 2025 12:48:57 +0000

X線と聞くと「レントゲン写真に使われるもの」というイメージはあっても、実際にはどんな正体なのかちょっと分かりにくいですよね。

「γ線と同じ電磁波だ」といわれても、どこが違うのか、どう分類されるのか疑問に思う人も多いでしょう。

この記事では、まずX線がどう定義されるのかを確認し、電磁波としての特徴、そして種類について整理していきます。
定義と分類をしっかり押さえることで、X線の理解が基礎から固まり、次に学ぶ制動放射線や特性X線の内容もスムーズにつながっていくはずです。

X線とは何か

X線は、私たちの目では直接見ることのできない電磁波の一種です。
波長がおよそ0.01〜10ナノメートルと非常に短いので、高いエネルギーを持っています。
この性質により、通常の光では透過できない物質を通り抜け、内部情報を得ることができます。

この不思議なX線の性質について見ていきましょう。

物質を透過できる理由

X線が物質を透過できるのは、波長がとても短いからです。

可視光は数百ナノメートルの波長を持ち、物質に当たると電子にぶつかりやすく、すぐに散乱や吸収を受けてしまいます。

一方、X線の波長は0.01〜10ナノメートル程度で、これは原子の大きさと同じくらいか、それより短いスケールです。

物質は一見つまって見えますが、原子と原子の間には多くの空間があります。

X線のように波長が非常に短い光は、この空間を通り抜けやすく、電子に引っかかりにくいため、物質の内部まで届くことができます。

このため、X線は体の外側だけでなく、内部の構造まで映し出すことができるのです。

オレ、今腹ペコだから良く透過するんやないか？
胃袋すき間だらけやで？

牛助

電爺

あんまり変わらんと思うぞ。

γ線との違い

X線とよく比較されるのがγ線です。
どちらも波長が短い電磁波ですが、発生の仕組みが異なります。

X線は電子の運動に由来して発生するのに対し、γ線は原子核のエネルギー変化によって放出されます。
この発生源の違いが、X線とγ線を区別するポイントになります。

どう違うんやったけ？
赤いか青いかやったけ？

牛助

X線って見えないってなってたでしょ。

たまのすけ

電爺

まさか、牛助には本当にX線がみえとるんかのぅ？
ワシらとは目の構造が違うのかもしれんし・・・

たなまる

電爺、のせられてますって。
簡単に言うと、どこで発生したかが違うんだよ。
X線は原子核の外、γ線は原子核の中から発生するんだ。

B2：放射線はどう分類される？特徴と例をまとめて解説でも詳しくやりましたね。
忘れちゃった方はぜひチェックしてくださいね。

定義のポイント

まとめると、X線の定義は「電子の変化によって発生し、非常に短い波長と高いエネルギーをもつ電磁波」と言えます。
この定義を押さえておくことで、以降に学ぶ制動放射線や特性X線の理解がスムーズになります。

X線は電磁波の一種であり、その性質は光や電波と同じ仲間です。
ただし、波長が非常に短くエネルギーが高いため、日常で目にする電磁波とはふるまいが大きく異なります。
ここでは医療に関わる学習で必ず押さえておきたい4つの特徴を整理します。

物質を伴わない

X線は「波」としての性質を持ちますが、空気の分子や小さな粒子のような実体を伴っているわけではありません。
目に見える光と同じように、エネルギーが空間を伝わっていくだけの存在です。
そのため「X線そのものを捕まえる」といったことはできず、あくまで物質と相互作用した結果を観察することになります。

物質やないのに存在するなんて不思議やで。

牛助

質量も電荷もない

電子や陽子のような粒子は質量と電荷を持ち、磁場や電場の影響を強く受けます。
しかしX線は電磁波なので、質量も電荷も一切持ちません。
この特徴のおかげで、電場や磁場に曲げられることなく直進し、人体内部をまっすぐ透過できるのです。
一方で、相互作用する相手（原子や電子）があれば、その場で吸収や散乱が起こることになります。

たなまる

この「質量」も「電荷」もないという性質は国試でも出題されたことがあります。

真空中を光速で進む

X線は真空中では 秒速 3.0×10⁸ メートル 、すなわち光速で進みます。
これは電磁波すべてに共通する性質であり、自然界で到達できる最も速い速度です。
この速さのため、X線は一瞬のうちに対象へ到達し、医療現場でも短時間で撮影や照射を行うことが可能なのです。

X線て速いんですね。

たまのすけ

たなまる

光と一緒だから、最も速いものの一種だよ。

波と粒子の二重性

X線は「波」としての性質と「粒子」としての性質をあわせ持っています。
波としては干渉や回折といった現象を示し、物質をすり抜けたり回り込んだりするふるまいを見せます。
一方、粒子としては「光子（フォトン）」と呼ばれるエネルギーの塊として振る舞い、物質に衝突してエネルギーを与えます。

このように、波としての性質も粒子としての性質ももつことを二重性といいます。
この二重性は量子力学の基本的な考え方であり、X線の応用や物質との相互作用を理解するうえで欠かせない視点です。

たなまる

エネルギーが低いと波っぽくなり、エネルギーが高いと粒子の性質が色濃くなるんだよ。

電磁波としての特徴

X線の性質を理解するうえで欠かせないのが「エネルギー」と「波長・振動数」との関係です。
電磁波はすべて、エネルギーと波の性質が数式でつながっています。

$E = hν$ の関係

プランク定数 h と振動数 $ν$ を使うと、光やX線のエネルギー E は次の式で表されます。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
E=hν
}}
$$

ここで h はプランク定数という自然界の基本定数（約6.63×10⁻³⁴ J·s）です。
この式は「振動数が大きいほどエネルギーも大きい」ことを示しています。
波長が短いX線は、可視光よりもはるかに高いエネルギーを持つのです。

たなまる

この式は必ず覚えましょう。

波長・振動数・光速との関係

波長 λ と振動数 ν は、光速 c を使って次の式でつながります。

$$
\pmb{
c=λν
}
$$

この関係を使えば、エネルギーを波長で表すこともできます。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
E=\frac{hc}{λ}
}}
$$

つまり、波長が短くなるほどエネルギーは大きくなる。
これがX線が高い透過力や相互作用の強さを持つ理由のひとつです。

たなまる

この式もとても大切です。

X線の種類

X線とひとくちに言っても、その中にはいくつかの種類があります。
大きく分けると「特性X線」と「制動放射線」の2つで、どちらもX線装置のターゲット金属から発生しますが、発生の仕組みが異なります。

特性X線

特性X線は、ターゲット金属の原子に外から電子がぶつかったときに発生します。
高いエネルギーを持った電子が金属原子に衝突すると、内側の軌道にいる電子がはじき出され、空席ができます。
この空席は空位といいます。
すると、外側の軌道にいた電子がその空位を埋めようと移動し、そのとき余ったエネルギーがX線として放出されます。

このときに出るX線は「その元素に固有のエネルギー」を持っています。
たとえば銅（Cu）のKα線は約8.0 keV、モリブデン（Mo）のKα線は約17.4 keV、タングステン（W）のKα線は約59 keVです。
このように決まった値のX線がピークとして現れるため、エネルギースペクトルは「鋭い線」として観測されます。
このことから特性X線は「線スペクトル」と呼ばれます。

特性X線については次の記事（C2：特性X線の発生原理と種類）で詳しく解説していくので、ここでは「元素ごとに固有のエネルギーを持ち、スペクトル上に線として現れるX線」というイメージを押さえておきましょう。

たなまる

線スペクトルのことを「単一スペクトル」と言うときもあります。
どちらも同じ意味です。

制動放射線

制動放射線は、電子がターゲット金属の原子核に近づいたときに発生します。
電子はマイナスの電荷を持ち、原子核はプラスの電荷を持っています。
そのため電子は原子核に引き寄せられ、進む方向を曲げられたり、速度を落とされたりします。
この「減速」や「方向転換」によって余分なエネルギーが放出され、それがX線になります。

制動放射線のエネルギーは、電子がどの程度減速するかによって連続的に変化します。
そのため、エネルギースペクトルは広がりをもった「連続スペクトル」として観測されます。
医療の一般撮影で使われるX線の多くは、この制動放射線です。

医療現場での使い分け

医療のX線撮影では、主に制動放射線が利用されています。
X線管で電子を加速してターゲットにぶつけると、電子が減速する過程で自動的に制動放射線が発生します。
一方、特性X線は内殻電子を弾き飛ばす条件が必要かつターゲット元素ごとに決まったエネルギーでしか現れません。
そのため、X線管から得られるX線の基本は制動放射線であり、特性X線はそれに加わる“副次的な成分”という位置づけになります。

制動放射線は管電圧を上げれば高エネルギー成分が増えて厚い組織を透過でき、下げれば低エネルギー成分が中心となり浅い部分の描出に適します。

このように、医療現場で使うX線は制動放射線が主役であり、その利用範囲は管電圧のコントロールによって広がっているのです。

ただし、特性X線もまったく使われないわけではなく、マンモグラフィや核医学では効果的に利用されています。

実際の過去問を見てみよう。

2024年実施の第76回からの1問。
X線の基本事項を確認する内容が出題されました。

第76回　2024年　AM73
電磁波で正しいのはどれか。2つ選べ。

縦波である。
電荷を有する。
波長が短いほどエネルギーは大きい。
伝播速度は波長と周波数の積に等しい。
周波数は紫外線よりマイクロ波の方が高い。

答えを確認する。

B03　放射線の種類と正体を理解しよう

たなまる — Tue, 09 Sep 2025 14:18:00 +0000

α線、β線、γ線……名前は聞いたことがあるけれど、それぞれがどんな中身を持っているのかは意外と混乱しやすいところです。
とくに、同じ電磁波なのに発生場所が違うだけで「γ線」や「X線」と呼び分けられるのは、学生にとって大きな落とし穴になりがちです。

この記事では、放射線の種類とその正体をひとつずつ整理していきます。
α線やβ線のような粒子線と、γ線やX線のような電磁放射線をしっかり区別すれば、名前と実体の関係がすっきり見えてきます。

さらに、電磁放射線が電場と磁場の相互作用としてどのように伝わるのかも紹介します。
ここを理解しておくことで、放射線の基礎知識がより確かなものになります。

放射線の正体を正しくつかむことは、国試の理解だけでなく、将来の医療現場で放射線を安全かつ有効に扱うための大事なステップにもなりますよ。

放射線の種類とその正体を整理しよう

「放射線」とひとくちに言っても、その正体はさまざまです。
名前だけで覚えてしまうと、「α線とβ線はどう違うの？」「γ線とX線って結局どっちも光なのでは？」と混乱しがちです。
特に、同じ“電磁波”であるγ線とX線が、発生する場所によって呼び分けられているのは落とし穴になりやすいところです。
ここでは、代表的な放射線について正体をひとつずつ確認し、整理してみましょう。

α線の正体はヘリウム原子核

α線は「⁴Heの原子核」、つまり陽子2個と中性子2個のかたまりが飛び出してきたものです。
質量が大きく、電荷も2単位分あるため、物質との相互作用が非常に強く、わずか数cmの空気中で止まってしまいます。
紙1枚でも遮れるほど短い飛程ですが、その分だけ細胞や組織に与えるエネルギーは大きく、内部被ばくでは大きな影響を及ぼすことがあります。

β線の正体は電子（または陽電子）

β線は「電子」そのものが飛び出してきた放射線です。
原子核の中で中性子が陽子に変わるとき、余ったエネルギーとともに電子が放出され、これがβ⁻線になります。
逆に陽子が中性子に変わるときには「陽電子（ポジトロン）」が放出され、これをβ⁺線と呼びます。
電子は軽く、空気中では数mほど進むことができます。
アルミニウムの薄い板などで容易に遮蔽できる一方、体内に入ると電子の軌跡に沿ってエネルギーを与えるため、これも注意が必要です。

β線と電子線の違い

ここで混乱しやすいのが「β線」と「電子線」のちがいです。
両方とも正体は電子に変わりないのですが、

β線 … 原子核の崩壊にともなって放出された電子
電子線 … 加速器などで核の外から人工的に加速して作り出した電子ビーム

という違いがあります。
名前は違っても中身は同じ“電子”なので、区別の基準は「発生源」と覚えると整理しやすいでしょう。

こんなどうでもよさそうな違い、無視しちゃアカンの？

牛助

たなまる

実はスペクトルも変わるから、性質も違うんだよね。

電爺

牛助よ、おぬしだってホルスタインって言われたら嫌じゃろう？

あったり前や！
松阪牛やで！

牛助

γ線とX線はどちらも電磁波（発生源で呼び分ける）

γ線とX線はどちらも「電磁波」であり、光や電波と同じ仲間です。
粒子線と違って質量や電荷は持たず、非常に長い距離を進むことができます。
ただし呼び名は発生の場所で分けられていて、核内のエネルギー変化によって生まれたものをγ線、核外の電子のふるまいによって生まれたものをX線と呼びます。
正体は同じでも、出どころが違えば名前が変わる。
ここをしっかり押さえておくと、問題文に出てきたときに迷わず答えられるようになります。

B02：放射線はどう分類される？特徴と例をまとめて解説でも解説しています。ぜひご覧ください。

電磁放射線の本質を理解しよう

γ線やX線の正体は「電磁波」ですが、その仕組みをしっかり理解しておくと放射線のイメージがぐっとつかみやすくなります。
電磁波は「電場」と「磁場」が互いに影響し合いながら空間を伝わる波です。
光も電波も同じ仲間で、放射線分野では特に高いエネルギーをもった電磁波を扱います。

アンペールの法則：変化する電場が磁場を生む

電場が時間的に変化すると、その周りには磁場が生じます。
これは「アンペールの法則」あるいは「ビオ・サバールの法則」として知られています。
電場の変化が磁場を作り、その磁場がまた新しい変化を引き起こしていきます。

「電場が変化すると」って部分を「電流が流れると」に置き換えると分かりやすいですよ。

たなまる

図では赤い電流が流れると、青い磁界が発生してますね。

ファラデーの法則：変化する磁場が電場を生む

逆に、磁場が時間的に変化すると、その周囲には電場が生まれます。
これが「ファラデーの電磁誘導の法則」です。
磁場の変化が電場を作り出し、その電場が再び磁場を作る……という相互作用が起こります。

たなまる

青い磁界が生じると、赤い向きに電流が流れます。

電場・磁場・進行方向は互いに直交する

こうして生じた電場と磁場は、互いに直角の方向に振動しながら伝わります。
そして電磁波は、そのどちらにも直交する方向に進んでいきます。
つまり、電場・磁場・進行方向の3つがすべて直角に組み合わさった形で存在しているのです。

この仕組みによって、電磁波は真空中でも自力で進むことができます。
γ線やX線が遠くまで届くのは、この「電場と磁場の相互作用による伝播」のおかげなのです。

電爺

アンペールの法則とファラデーの電磁誘導の法則が永遠と繰り返されるんじゃ。

だから電磁波は遠くまで届くんですね。

たまのすけ

たなまる

光も同じ仕組みで伝わっているんだよ。
だから、X線やγ線も光の仲間なんだ。

実際の問題を見ていきましょう

と思いましたが、B03の知識をダイレクトに問う出題は見当たりませんでした。
しかし、放射線の「正体」を理解しているかどうかは基礎として非常に重要です。
ここでは、その知識があれば正解できる国試風の問題を紹介します。

国試風問題（オリジナル）

放射線の種類とその正体に関する記述で正しいのはどれか。

中性子線は電子の流れで構成されている。
α線は電子2個が束になって飛び出したものである。
β線は原子核の崩壊にともなって放出された電子または陽電子である。
γ線は核外の電子がエネルギー準位を変化したときに生じる電磁波である。
X線は原子核のエネルギー準位変化によって生じる電磁波である。

解答を確認する。

A05　物理の『波』をわかりやすく解説｜X線を理解するための波の基本

たなまる — Fri, 13 Jun 2025 06:36:17 +0000

みなさん、こんにちは。
たなまるです。

放射線の勉強をしていると、

α線、β線、γ線、X線、・・・

といったさまざまな放射線が登場します。

その中でも、私たち診療放射線技師がもっともよく扱うのが X線です。

そして、このX線を理解するために欠かせないのが 「波」 という考え方。

高校で物理を学んだ方は、

「波長」
「振動数」
「周期」

といった言葉を聞いたことがあるかもしれませんね。

一方で、

「波は苦手だったな……」
（ワタクシ、たなまるはこのタイプ）

という方や、

「そもそも高校で物理を選択していないんだけど……」

という方も多いでしょう。

でも大丈夫です。

この記事では、放射線物理で必要になる部分だけに絞って、波の基本を整理していきます。

高校物理で登場する反射や干渉などの難しい話は扱いません。

まずは、

振幅・波長・周期・振動数

という基本用語と、

X線との関係

を押さえていきましょう。

X線は横波？縦波？まずは波の種類を整理しよう

波には大きく分けて「縦波」と「横波」の2種類があります。
これは、“振動の向き”と“波の進む向き”の関係によって分類されます。

波の種類	振動の向き	波の進む向きとの関係	主な例
縦波（Longitudinal wave）	波の進む向きと同じ	並行	音波、地震のP波
横波（Transverse wave）	波の進む向きと直角	垂直	光、X線、地震のS波、水面の波

表1　波の分類

えば、エコー検査に用いる超音波は、
波の進行方向と媒質の振動方向が同じ前後方向なので縦波です。

一方、X線や光のような電磁波は、
電場と磁場が進行方向と直角に振動しているため、横波に分類されます。

波には縦波と横波がありますが、放射線物理で主に扱うX線は横波です。

つまり、これから学ぶ振幅・波長・周期・振動数といった知識は、
X線を理解するための基礎になるということです。

この超音波は縦波、X線は横波という部分は
僕が学生時代に良く国家試験に出題されてました。
20年以上前に流行った定番の出題です。
あぁ懐かしや。最近は見ませんなぁ・・・

波って何？X線の理解に必要な「波の基本」

X線は、粒のような性質と同時に「波」としての性質も持っています。

つまり、X線の本質を理解するためには、
この「波」とは何かをしっかりと押さえておく必要があります。

まず最初に確認しておきたいのは、
「波」という現象がどのようなものかという基本的なイメージです。

ここでいう「波」は海の波のように見える現象だけではなく、
音や光、電波などさまざまな形で現れるものです。

X線もまた、波としての性質を持つ放射線の一つに含まれます。

この章では、そんな波の基礎を「見てわかる」「数式でつかめる」ように、
4つのポイントに分けて整理していきます。

ポイント①　「波」ってどんなもの？

この図は、波が上下に揺れながら進んでいく様子を表しています。

上に盛り上がった部分を「山」、下にくぼんだ部分を「谷」と呼びます。

また、波には必ず進む方向があります。

波とは、このような揺れが空間を伝わっていく現象です。

ポイント②　波の3大要素：振幅・波長・周期

波の３大要素を説明していきます。

こういった基礎知識を疎かにしてしまうと、
それ以降の知識が入りにくくなりますから、
しっかりと抑えていきましょう。

振幅（しんぷく）

波の山の高さが、赤い矢印で示されています。これが振幅です。

振幅とは、波の基準線（中心）から山の頂点までの高さ、
または谷の底までの深さのことを指します。

つまり、どれくらい大きく揺れているかを表す値です。

振幅が大きい波ほど、“強さ”や“エネルギー”が大きくなります。
逆に、振幅が小さい波は揺れ幅が小さく、エネルギーも少ないということになります。

ちなみに、音の場合の振幅は
「音の大きさ」を表すんです。

さすが趣味がギターだけのことはありますわね。

波長（はちょう）

図の赤い矢印が示しているのが、波長です。
山から次の山まで、あるいは谷から次の谷まで――この「同じ形の位置」同士の間隔を波長と呼びます。

つまり波長とは、波が1回ぶん揺れ終わるまでに進む距離のことです。
波が空間にどのように広がっているかを表す量で、単位はメートル（m）で表します。

波長が長ければ、それだけ波の「山と山の間」が広く、
波長が短ければ、山と山の間がキュッと詰まっている――そんなイメージでOKです。

単位は「 m 」とはいうものの、
放射線は10^-9 m 程度と非常に短いんだ。

nm （ナノメートル）の世界ね。

もう見えんのとちゃう？

周期（しゅうき）

図の赤い矢印で示されているのが、周期です。
これは、波が1回ぶんの揺れを終えるのにかかる時間のことを表しています。

たとえば、山から次の山まで進むのに1秒かかったとすれば、その波の周期は「1秒」です。
単位は「秒（s）」で表します。

この周期は、波がどれくらい速いペースで振動しているかの指標になります。
短い周期なら、波は細かく速く振動していますし、周期が長いと、ゆっくり大きく揺れている波になります。

簡単に言うと、
波が1回ゆれるのに何秒かかるか
ってことだよ。

ポイント③　振動数とHzの意味もおさえよう

波が1回振動するのにかかる時間を「周期」といいましたが、
逆に1秒間に何回振動するかを「振動数」といいます。

この2つの関係は、次の式で表されます。

$$
f=\frac{1}{T}
$$

周期の単位は「秒（s）」であり、振動数の単位は「ヘルツ（Hz）」です。
これは「1秒間に○回振動する」という意味であり、「1/s」と表すこともあります。

式からも分かる通り、
周期が短いほど振動数は大きくなるんだ。

ポイント④　波の速さと「v＝fλ」の関係

波の速さは、次の式で表されます。

$$
v=fλ
$$

ここで
$v$ は波の速さ（単位は「m/s」）、
$f$ は振動数（単位は「Hz（ヘルツ）」＝「1/s」）、
$λ$ は波長（単位は「m」）
です。

では、この式がどう成り立つのか、単位の視点から見てみましょう。

振動数 $f$ は「1秒間に何回波が来るか」を表します。
波長 $λ$ は「波1回分の長さ」です。

つまり、1秒間にくる波の数×1波あたり〇メートルなので、1秒間で進む距離が求められます。

$$
\begin{aligned}
v&=fλ\\[6pt]
[\frac{m}{s}]&=[\frac{1}{s}]\times [m]
\end{aligned}
$$

結果として、波の速さ $v$ の単位 m/s と一致します。
式の意味だけでなく、単位を見てもこの関係が自然であることがわかりますね。

エネルギーと運動量の式をマスターしよう

波には、振動するという性質のほかに、
「エネルギーを運ぶ」という重要な特徴があります。

X線のような電磁波も、目に見えませんがエネルギーを持っていて、
それが物質に当たることでいろいろな反応を引き起こします。

ここからは、波のエネルギーや運動量を表す式も見ていきましょう。

プランク定数とエネルギーの関係式

X線やγ線などの電磁波は、「波」であると同時に「粒」としての性質も持っています。

X線やγ線を粒として考えるとき、その粒を「光子（こうし）」と呼びます。

光子が持つエネルギーはプランク定数と振動数の積で表されます。

$$
E=hν
$$

$$
\begin{aligned}
{E} & : \text{エネルギー[ J ]} \\
{h} & : \text{プランク定数[ Js ]} \\
{ν} & : \text{振動数[ 1/s ]}
\end{aligned}
$$

この関係式は、光子1個あたりのエネルギーが、振動数に比例することを示しています。
つまり、振動数が高いほど、エネルギーも大きくなるということです。

また、電磁波の速さ $c$ と振動数・波長の関係 $c=νλ$ を使うと、エネルギーは波長からも求められます。

$$
E=hν=\frac{hc}{λ}
$$

ここで、波長 $λ$ の単位は m なので、式の単位も併せて確認しておきましょう。

$$
\begin{aligned}
E&=\frac{hc}{λ}\\[6pt]
[J]&=[\frac{Js \times \frac{m}{s}}{ m }]
\end{aligned}
$$

こちらもエネルギーの単位「ジュール」になります。

波の運動量と光子の性質

光子は質量を持ちませんが、運動量を持っています。
この運動量は、エネルギーや波長と関係のある式で表すことができます。

$$
p=\frac{E}{c}
$$

$$
\begin{aligned}
{p} & : \text{光子の運動量[ kg・m/s ]} \\
{E} & : \text{エネルギー[ J ]} \\
{c} & : \text{光速度[ m/s ]}
\end{aligned}
$$

エネルギーの式 $E = hν$ を代入すると、次のように表せます。

$$
p=\frac{E}{c}=\frac{hν}{c}
$$

さらに、$c = νλ$ の関係を使うと、波長との関係も次のように表せます。

$$
p=\frac{E}{c}=\frac{hν}{c}=\frac{h}{λ}
$$

この式の単位を見てみましょう。

プランク定数 h の単位は「J・s」、波長 λ の単位は「m」なので、

$$
\begin{aligned}
p&=\frac{h}{λ}\\[6pt]
[kg\cdot \frac{m}{s}]&=[\frac{Js}{m}]\\[6pt]
&=[\frac{kg \cdot \frac{m^2}{s^2}\cdot s}{m}]\\[6pt]
&=[kg \cdot \frac{m}{s}]
\end{aligned}
$$

これは運動量の単位と一致します。

運動量はエネルギーを速度で除すことで求めることができます。
その結果、プランク定数を波長で除したものと等しくなります。

ここでは、エネルギーの単位 J を SI 基本単位に分解するテクニックを使いました。
この J の分解は結構便利ですので、
忘れてしまった方はA04：主任者試験対策：SI単位の「分解」パターン4選【ジュールも解説】も併せてご参照ください。

実際の問題を見ていきましょう。

元ネタが第48回（1996年）と古いので、少しカスタマイズしております。
練習問題として捉えて下さい。

練習問題
次の記述で正しいのはどれか。2つ選べ。
ただし、プランク定数を $h$ 、光速度を $c$ とする。

波長 $λ$ の光子の運動量は $\frac{h}{λ}$ である。
運動量 $p$ を持つ粒子の波長は $\frac{h}{p}$ である。
振動数 $ν$ の光子のエネルギーは $\frac{h}{ν}$ である。
波長 $λ$ の光子のエネルギーは $\frac{hλ}{c}$ である。
速度 $v$ 、質量 $m$ の粒子の全エネルギーは $\frac{mc^2}{\sqrt{1-(\frac{c}{v})^2}}$ である。

解答を確認する。

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