ひよこと学ぶ診療放射線学

光子と物質の相互作用は、主に光電効果、コンプトン効果、電子対生成の３つが代表的です。なかでも電子対生成は、光電効果やコンプトン効果が発生する光子のエネルギーよりも、さらに高いエネルギーで発生します。今回はこの電子対生成についてわかりやすく解説します。

電子対生成とは
生成された電子のその後
三対子生成
まとめ

電子対生成とは

電子対生成はＸ線やγ線のような光子が電子と陽電子のペア（電子の対）に変換される現象です。電子の対を生成した後、光子は消滅します。

光子(Ｘ線やγ線のこと)が物質中の原子核の近くを通過すると、光子が消滅し電子と陽電子の２つの粒子に変換されます（図１）。

図１：電子対生成の発生

この現象は、光子のエネルギーが１.０２２ＭｅＶ以上でなければ起こることはありません。このエネルギーのことを閾値や閾エネルギーなどと表現します。

電子の静止エネルギーは ０．５１１ＭｅＶ です。電子対生成では電子と陽電子の２つが生成されるため、必要なエネルギーは０．５１１×２個＝１．０２２ＭｅＶとなります。

１．０２２ＭｅＶの光子によって生成された２つの電子は、運動エネルギーをもち物質の中を進んでいきます。

この様子は、以下の式で表されます。

$$
h\nu=2m_ec^2+E_{e^-}+E_{e^+}
$$

ここで、hν は入射光子のエネルギー、m_ec² は電子の静止質量エネルギー、E_e– は陰電子の運動エネルギー、E_e+ は陽電子の運動エネルギーを表しています。

例えば、入射光子のエネルギーが５．１１ＭｅＶであれば、１．０２２ＭｅＶのエネルギーを使い２つの電子を生成します。この時点で余っているエネルギーは、５．１１ＭｅＶー１．０２２ＭｅＶ＝４．０８８ＭｅＶとなります。この４．０８８ＭｅＶのエネルギーが２つの電子の運動エネルギーとして分配されます。この時、４．０８８ＭｅＶのエネルギーが必ず半分ずつに分配されるという決まりはありません。半分ずつ分配されるときもあれば、どちらかに偏ったエネルギーを分配することもあります。こちらに関しては、国家試験でも狙われるポイントとなるため注意してください。

生成された電子のその後

生成された陰電子（マイナスの電子）は別の記事でも解説したように、物質を電離したりクーロン力により進路を曲げられたりしながら、運動エネルギーがなくなるまで進んでいきます。

生成された陽電子は、その挙動に少しクセがあります。物質中を進む際に、電離やクーロン力によって運動エネルギーがなくなるまで進む点については陰電子と同様です。しかし、陽電子の運動エネルギーがゼロになる瞬間に、付近の陰電子と結合し消滅します。これを陽電子消滅といいます。この陽電子消滅に伴い、５１１ｋｅＶのエネルギーを持つ消滅放射線（消滅光子）を１８０度方向に２本放出します（図２）。

図２：陽電子消滅の様子

三対子生成

電子対生成と似ている現象に三対子生成という現象があります。電子対生成は原子核の近くを通過する際に発生する現象でしたが、三対子生成は軌道電子の近くで２つの電子を生成する現象です。軌道電子の近くで電子対生成が発生することで、軌道電子も一緒に飛び出すという現象になります。そのため、電子対生成では電子と陽電子の２つの電子が飛び出しましたが、三対子生成では電子と陽電子に加えて軌道電子が飛び出します（図３）。