X線の種類と発生方法

X線は、ヴィルヘルム・レントゲンによって発見された電磁波です。

最初に発見されてから100年ほどしか経っていませんが、医療現場（レントゲン検査など）をはじめ様々な分野で利用されています。

X線は特性X線と連続X線（制動X線）と呼ばれるものにわかれ、それぞれ発生方法が異なります。

X線とは？

X線は、1895年11月にヴィルヘルム・レントゲンによって発見されました。

X線は電磁波の仲間なので、私たちが日常で使用している電子レンジの赤外線や、携帯電話の電波などと同じ部類になります（図１）。

図１　電磁波の分類

電磁波はエネルギーの強さで分類されます。

レントゲン検査などで使用されるX線管（X線の発生する場所）は以下の図のように、陰極のフィラメントと陽極のターゲットから構成されています（図２）。

図２　X線管の構造

X線の発生には、以下の作用が関わってきます。

①　陰極から発生した電子がターゲットに衝突した際、ターゲットを構成する原子の
　　軌道電子に衝突する（図３左）。

②　陰極から発生した電子がターゲットを構成する原子を通過する際、
　　クーロン力（電気の力）により曲げられる（図３右）。

図３　ターゲット原子に衝突した際の電子の動き

電子がターゲットで起こす反応の違いにより、特性X線と連続X線の２種類に分かれます。

特性X線は、以下の流れで発生します。

ターゲット原子に入射した電子が、原子を構成する軌道電子に衝突する。
これにより、衝突された軌道電子は原子の外に飛ばされる（図４）。
軌道電子が外からの力（今回は電子の衝突）によって、吹き飛ばされることを電離と呼びます。

図４　入射電子による原子の電離

電離が起こると、吹き飛ばされた軌道電子の場所は空席になる。
上の軌道にいる電子が、空席を埋めるように遷移（移動）します（図５）。

軌道電子が内側の空席に遷移した時に、エネルギーを電磁波の形で放出します（図５右）。
このときに発生する電磁波を特性X線と呼びます。

図５　特性X線の発生

「なぜ電磁波の形でエネルギーを放出するのか」については、別の記事で解説します。

連続X線は制動X線とも呼ばれ、以下の流れで発生します。

ターゲット原子に入射した電子が、真っ直ぐ進もうとする（図６左）。
電子はマイナス、原子核はプラスの電荷をもっているため、電子はまっすぐ進めず原子核の方へ引かれて曲げられてしまう。（図６右）。
このとき働く電気的な力をクーロン力（同じ電荷同士では斥力、異なる電荷同士では引力が働く）といいます。

図６　入射電子に働くクーロン力

電子と原子核にクーロン力が働いた結果、電子には制動力がかかり、持っていたエネルギーを捨てて曲げられます。
この時、捨てたエネルギーを電磁波の形で放出します（図７）。
このときに発生する電磁波を連続X線（または制動X線）と呼びます。

図７　連続X線の発生

「原子核がプラスの電荷をもつ理由」、「電子の曲げられる大きさ」、「クーロン力」については、別の記事で解説します。

今回は特性X線と連続X線の発生方法の違いを解説しましたが、説明が不十分な箇所が多いため、次回以降の記事でもう少し深く説明します。
まずは、X線が発生するイメージを掴んでもらえればいいと思います。