特性X線の発生とその特徴

以前の記事（「X線の種類と発生方法」）で、特性X線は、軌道電子が電離され、その空席へ外側の軌道から電子が遷移することで発生すると説明しました。

今回は特性X線について、少し踏み込んで説明していきます。

結合エネルギー

それぞれの軌道電子は、原子核と決まったエネルギーで結びついていて、これを 結合エネルギー と呼んでいます。

結合エネルギーは、内側の軌道電子ほど強く（原子核と強く結びつく）、遠くの軌道電子ほど弱く（原子核と弱く結びつく）なります（図１）。

図１　原子核と軌道電子間の結合エネルギー

特性X線の発生は電離が関係するため、入射電子がターゲット物質に衝突して軌道電子をたたきだす必要があり、そのためには入射電子のエネルギーが軌道電子の結合エネルギーよりも大きいことが必要になります。

特性X線のエネルギーと線スペクトル

例えば、特性X線はK軌道の軌道電子が空席となったとき、L軌道の電子がK軌道に遷移することで発生します（図２）。

図２　特性X線の発生とエネルギー

図２の場合、特性X線のエネルギーは以下のように表されます。

E(keV) ＝ E_K(keV) － E_L(keV)　　　（式１）

※　Eは特性X線のエネルギー、E_KはK軌道電子の結合エネルギー、E_LはL軌道電子の結合エネルギーを表します。

放出される特性X線のエネルギーは、電子が遷移する二つの軌道の結合エネルギー差で決まります。電子遷移の組み合わせごとに離散的なエネルギーとなるため、線スペクトルを示します。

Kα線とKβ線

K軌道の電子が空席となり、L軌道の電子がK軌道に遷移したとき、発生する特性X線を K_α線 と言い、M軌道からK軌道に遷移したときは、K_β線 と言います。

例えば、Mo原子（モリブデン原子）の結合エネルギーは、K軌道電子で約２０.０keV、L軌道電子で約２.５keV、M軌道電子で約０.４keVであると知られています（図３）。

図３　モリブデン原子における軌道電子の結合エネルギー

K軌道電子が空席になり、L軌道電子がK軌道に遷移した場合は、２０.０keV－２.５keV＝１７.５keVのK_α線が放出され（図４左）、M軌道電子がK軌道に遷移した場合は、２０.０keV－０.４keV＝１９.６keVのK_β線が放出されます（図４右）。

図４　モリブデン原子からのＫ_α線（左）とＫ_β線（右）

もう１つ例を見てみます。

W原子（タングステン原子）の結合エネルギーは、K軌道電子で約６９.５keV、L軌道電子で約１０.０keV、M軌道電子で約５.０keVであると知られています（図５）。

図５　タングステン原子における軌道電子の結合エネルギー

K軌道電子が空席になり、L軌道電子がK軌道に遷移した場合は、６９.５keV－１０.０keV＝５９.５keVのK_α線が放出され（図６左）、M軌道電子がK軌道に遷移した場合は、６９.５keV－５.０keV＝６４.５keVのK_β線が放出されます（図６右）。

図６　タングステン原子からのＫ_α線（左）とＫ_β線（右）

このように、原子ごとに軌道電子の結合エネルギーが異なるため、放出される特性X線のエネルギーも変わります。特性X線は、電子遷移の組み合わせごとに決まった離散的なエネルギーをもちます。例えば、同じタングステンから発生する特性X線でも、K_α線とK_β線ではエネルギーが異なります。

また、今回はK軌道の電子が空席になった場合で説明しましたが、L軌道の電子が空席になった場合も同様に、L_α線（M軌道からL軌道へ遷移）、L_β線（N軌道からL軌道へ遷移）が放出されます。

まとめ

1. 原子核と軌道電子の結合エネルギーは、対象の原子によって異なる値を示す。
2. 特性X線は、軌道間の結合エネルギーの差に相当するエネルギーを電磁波の形で放出する。
3. 特性X線は、電子遷移の組み合わせごとに固有の離散的なエネルギーをもち、線スペクトルを示す。
4. 特性X線のエネルギーは、放出される原子によって異なる。

以上が、特性X線の発生原理とエネルギーの基本です。特性X線と連続X線を含むX線発生の全体像は、「X線の種類と発生方法」で確認できます。

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参考資料・関連資料

• IAEA『Diagnostic Radiology Physics: A Handbook for Teachers and Students』第5章
• NIST「X-Ray Transition Energies Database」

確認日：2026年8月31日