ひよこと学ぶ診療放射線学

光子と物質の相互作用には、光電効果、コンプトン効果、電子対生成などがあります。これらについては以前の記事で説明しました。

今回は、さらに高いエネルギーの光子によって起こる光核反応について説明していきます。

光核反応とは

光核反応とは、高エネルギーのX線やγ線が原子核に吸収され、原子核から中性子や陽子などが放出される現象です。光壊変や光核反応による核分解とよばれることもあります。

光電効果やコンプトン効果では、光子は主に原子の軌道電子と相互作用します。一方、光核反応で光子が相互作用する相手は原子核そのものです。

原子核が光子を吸収すると、原子核は余分なエネルギーを持った不安定な状態になります。この状態を励起状態といいます。励起した原子核は、余分なエネルギーを放出して安定な状態に戻ろうとするため、中性子や陽子などを放出します（図1）。

図1　光核反応の発生過程

光核反応では、最初に原子核へ入射した光子は吸収されて消滅します。また、粒子を放出した後には、入射前とは異なる原子核が残ります。この原子核を残留核といいます。

光核反応は、原子核から放出される粒子によって表し方が変わります。

中性子が1個放出される反応は（γ,n）反応と表します。

$$
{}^{A}_{Z}X+\gamma \rightarrow {}^{A-1}_{Z}X’ + n
$$

（γ,n）反応では中性子が1個減るため、残留核の質量数は1減少します。しかし、陽子の数は変わらないため、原子番号は変化しません。

一方、陽子が1個放出される反応は（γ,p）反応と表します。

（γ,p）反応では陽子が1個減るため、残留核の質量数と原子番号がそれぞれ1減少します。

一般に、陽子は正の電荷を持っているため、原子核の外へ出るときにクーロン力による反発の壁を越えなければなりません。中性子には電荷がないため、条件によっては陽子よりも放出されやすく、（γ,n）反応が代表的な光核反応として扱われます。

光核反応は、どのようなエネルギーの光子でも起こるわけではありません。原子核から中性子や陽子を取り出すためには、原子核を結びつけているエネルギーを上回る必要があります。

この反応を起こすために必要な最低エネルギーをしきい値またはしきいエネルギーといいます。

ここで大切なのは、光核反応のしきい値はすべての物質で同じではないという点です。しきい値は、放出される粒子や対象となる核種によって異なります。

多くの核種では、およそ10 MeV程度またはそれ以上の光子によって光核反応が問題になります。ただし、重水素やベリリウム9のように、約 2 MeVという比較的低いエネルギーから光核反応が起こる核種もあります。

たとえば重水素では、次の反応によって陽子と中性子に分かれます。

この反応のしきい値は約2.2 MeVです。

したがって、「光核反応は必ず10 MeV以上で起こる」と覚えるのではなく、しきい値は核種ごとに異なると理解することが重要です。

光核反応は、高エネルギーX線を使用する放射線治療とも関係します。

医療用リニアックでは、高速の電子をターゲットへ衝突させることで制動X線を発生させます。高エネルギーX線の一部が、ターゲット、コリメータ、マルチリーフコリメータなどを構成する物質の原子核に吸収されると、（γ,n）反応によって中性子が発生することがあります。この中性子を光中性子といいます。

とくに10 MVを超えるような高エネルギーX線では、装置ヘッド内での光中性子の発生が問題になりやすくなります。

光中性子が発生すると、治療に用いるX線とは別に中性子による被ばくが加わります。また、中性子が装置や治療室内の物質と反応することで、放射化が起こることもあります。

そのため、高エネルギー放射線治療では、光中性子の発生、遮蔽、室内への残留放射線などを考慮する必要があります。

光電効果、コンプトン効果、電子対生成、光核反応の違いを図2にまとめます。

図2　光子と物質の相互作用の比較

相互作用	主な相手	反応後の光子	主な生成物・特徴
光電効果	内殻軌道電子	消滅	光電子
コンプトン効果	自由電子に近い外殻電子	散乱	反跳電子、散乱光子
電子対生成	原子核の電場	消滅	陰電子と陽電子、1.022 MeV以上
光核反応	原子核そのもの	消滅	中性子、陽子、残留核など