放射線物理学において、X線やγ線が物質と相互作用する現象は大きく分けていくつかあります。光電効果、コンプトン効果（コンプトン散乱）、電子対生成が代表的で、どれも診療放射線技師になるための基礎知識として重要です。今回は、光電効果の次に学ぶべきコンプトン効果について解説していきます。
コンプトン効果とは？
コンプトン効果は、高エネルギーのX線やγ線（光子）が物質の電子と衝突し、光子が散乱してエネルギーを失う現象です。入射した光子は電子とぶつかることで進む方向を変え、その際に一部のエネルギーを電子に与えます。その結果、散乱された光子は元のエネルギーより低くなり、波長は長くなるという特徴があります。
初めにこの現象を発見し理論化したのは米国の物理学者アーサー・コンプトンで、1923年の実験によりその存在が確認されました。この発見は光の波動性だけでなく粒子としての性質を示す重要な科学的証拠になり、コンプトンは1927年にノーベル物理学賞を受賞しています。
コンプトン効果の発生原理
コンプトン効果は、入射した光子が物質中の自由に近い軌道電子（外殻電子）に衝突することで成立します（図１）。光子は軌道電子と衝突するとき、まるでビリヤードの玉がぶつかるようにエネルギーと運動量を渡します。その結果、入射した光子は散乱し（散乱光子と呼びます）、衝突された電子は反跳します（反跳電子と呼びます）。
図１：コンプトン散乱の様子
散乱光子
光子自身は進行方向を変えながら散乱します。このとき、散乱する方向は0°から180°にランダムであり、観測するたびに異なります。散乱する際は、軌道電子にエネルギーの一部を与えているため、散乱光子のエネルギーは入射光子のエネルギーよりも低くなります。このとき、散乱する方向によってエネルギーの低くなる度合いが異なります（角度に依存します）。
反跳電子
光子からエネルギーを受け取った電子は原子から弾き飛ばされ、運動エネルギーを持って飛び出します。
光子の散乱とエネルギーの関係
散乱後の光子のエネルギーは、元の光子エネルギーと散乱角（光子がどの方向に飛んだかの角度）によって決まります。光子が電子に衝突し、大きい角度で散乱されるほど多くのエネルギーを電子に渡すため、散乱光子のエネルギーは小さくなります。
逆に、散乱角が小さい場合はエネルギーの変化もわずかになります（ほぼ真っ直ぐ進む）。コンプトン効果は、光子の散乱角とエネルギーの関係が密接に結びついています。
コンプトン効果で使用される公式
入射光子のエネルギーと散乱角が判明している時、散乱光子のエネルギーは以下の公式で算出できます。
$$
E’_{\gamma}
=
\frac{E_{\gamma}}
{1+\frac{E_{\gamma}}{m_ec^2}\left(1-\cos\theta\right)}
$$
ここで、Eγ’は散乱光子のエネルギー、Eγ は入射光子のエネルギー、mec2 は電子の静止質量エネルギー、θ は散乱光子の散乱角度を表しています。
この式からも分かるように、散乱角度に依存して散乱光子のエネルギーが変化します。
光電効果との違い
コンプトン効果と光電効果はどちらも光子と物質の相互作用ですが、発生条件や影響が異なります。光電効果は主に低エネルギー領域と高原子番号の物質で起こりやすいですが、コンプトン効果は中〜高エネルギー領域と電子密度に依存します。光電効果では光子のエネルギーが電子に完全に吸収されますが、コンプトンでは光子は散乱して残りのエネルギーを持ち続けます。この違いを正しく理解することで、国家試験や放射線取扱主任者の問題に取り組みやすくなります。
まとめ
- 入射光子が軌道電子と衝突し、散乱することで波長が長くなる。
- 散乱光子のエネルギーは、散乱する角度に依存する。
- 光電効果と比較して、外殻の軌道電子との相互作用で発生しやすい。
