量子線と物質の相互作用量子線と物質の相互作用

量子線と物質の相互作用

物質と放射線の相互作用は単純ではない

・放射線と物質（原子、電子、原子核、格子）

粒子と原子の相互作用

粒子と電子との直接相互作用

粒子と原子核の相互作用（弾性相互作用、電気的相互作用）

波動と電子の相互作用

波動と格子原子との相互作用

古典物理で扱える相互作用と、量子的相互作用に分けて考える必要がある

粒子としての振舞い

particle

replacement

原子、電子との直接的相互作用（弾性相互作用）

あまりにもエネルギーの高い粒子が 原子核に当たると

元素

A

B

Nuclear reaction

粒子 α

量子線を固体に照射すると

• 格子欠陥の生成

• 同位体の生成

核反応式 A （ α 、 b)B

放射粒子

b

7 Li (p, γ) ⁸ Be 例）

（電子励起）

transparent

elastic scattering

量子線 absorption

（熱、共鳴、励起）

reflection

electron

光電子 オージェ電子 反跳電子

X-ray

蛍光

X

（特性

X

コンプトン散乱 干渉性散乱

material

量子線を固体に照射すると

波動としての振舞い

電場との相互作用、電子及び格子との波動による相互作用（非弾性相互作用）

制動

X

• 二次的欠陥の生成

• 量子線の放射

• 電子励起

• 共鳴吸収など

＊コンプトン（散乱）効果：

1923

A.H.

光が電子と衝突し，もとの振 動数より小さな振動数をもっ て散乱する現象。

Inelastic scattering

transparent

diffraction

scattering

＊同位体である同じ元素の放射性物質を物質に混 入した場合、その同位体から出る放射線のエネル ギーが大きいと、その周囲のみが影響（損傷）を受 け続けるが、それ以外では同位体は化学的には同 一元素である限り、周囲との違いは全く見られない。

このことを利用して、物質中の原子の動き（拡散や 流れ）を調べるのにも利用される → トレーサー

€

∂ N

∂ t = k ∂ ² N

∂ x ²

高密度高エネルギー（ガンマ線、電子線など）

water

H ₂ O → e _aq - , ・ H , ・ OH

還元性ラジカル 酸化性ラジカル

e _aq ^-

水の放射線分解

ラジカル：

1

液体と放射線

Reducibility radical

Oxidizing radical

Hydrated electron

不対電子

通常、原子核の周囲の軌道上に存在する２つの電子のうち一方が失われ、一 つで軌道上に存在する状態。

→ 化学的に非常に不安定で反応性が高い

Unpaired electron

水（液体）の放射線分解プロセス

Ionization of Liquid

原子の電離（主に気体）

各原子の第一イオン化エネルギー

イオン化エネルギーの一般的な傾向

:

s

p

1s

1s

Ionization of Gas

3d

4p

4d

5p

4f 5d

Isotope News 2016 年 8 月号 No.746

49 の個数を放射線吸収エネルギー 100 eV あたりで示

したものを G 値と呼ぶ（この G 値の成り立ちにつ いては次々回に紹介する）。 X （g ）線と 5 MeV 程度 の a 線による水分解生成物の G 値を表 1 にまとめ る ^{2 ， 3 ）} 。a 線照射では H ₂ の収量は G ＝ 1.3 であるの に対し， OH 生成 G 値は 0.24 で， H ₂ 収量の 1 ／ 5 程 度である。一方，X 線照射では，逆に OH 収量は G ＝ 2.82 であるのに対し， H ₂ の収量は G ＝ 0.45 で，

OH 収量の 20 ％以下である。 H ₂ は前述の反応で消 費されるが，a 線照射では照射で生成するすべての OH で H ₂ を消費しても， H ₂ は余剰分が存在し，結 果的には照射の進行にしたがって，H 2 ガス蓄積量 は増大する。逆に， X 線照射では生成する H ₂ は OH で消費され，しかも OH の収量は H ₂ の収量よ りも 5 倍以上も大きいために， H ₂ は常に低濃度に 抑えられ，定常濃度は低い。これが X 線照射実験 で，顕著なガス発生が観測できなかった理由であ る。a 線， X 線は各々，高 LET ，低 LET 放射線に 分類される。水分解においてガス発生の挙動は高 LET 放射線と低 LET 放射線で大きく異なるという，

線質効果の典型例である。

分解ガス生成挙動のシミュレーション

 現在，我々は，室温の水中で生じる放射線反応を 計算機でシミュレーションできる。表 1 の G 値を 用いて， 1 Gy ／ s の線量率で X 線と a 線照射した時 の生成物の水中濃度の変化を計算すると，図 1 のよ うになる。a 線照射時は水素，過酸化水素，酸素が 線量に比例して生成するが，水素と過酸化水素の生 成量に比べて，酸素は少ない。それに対して X 線 照射では，生成物の大部分は水素と過酸化水素で，

酸素生成はほとんど起こらない。照射開始後 10 秒 も経過すると定常状態に達し，それらの濃度は 1 mM 以下の低濃度となる。これらの計算は観測結 果をうまく説明できる。

 問題は，g 線と a 線の G 値が異なる理由であり，

この解明がこれまでの放射線化学の中心課題の一つ であった。理解も進み，今では計算により異なる放 射線の水分解 G 値を算出できるようになった。

終わりに

 水，水溶液は放射線効果研究の開始直後より，多 くの研究者により研究対象として選択されていた。

我々の周りの最もポピュラーな物質が水であり，生 体の半分以上も水で構成されていることからも，放 射線生物学の基礎である。さらには，原子炉の冷却 水も水である。環境保全分野での水浄化への放射線 利用も水の放射線分解の知識なくては議論できな い。このように水の放射線効果については他の何よ りも多くの蓄積がある。次回も水に関わる放射線効 果研究の歴史の一断面を紹介する。

参考文献

1 ） Kernbaum, M., CR Acad. Sci., 148, 703 （ 1909 ）

2 ） Radiation Chemistry, Principle and Applications, Eds. by Farhataziz and M.A. Rodgers, VCH Publishers, New York, 1987.

3 ） Christensen, H. and Bjergbakke, E., SKB Technical Re- port 82 ‑ 18 （ 1982 ）

表

1

g

X

a

G

／ 100 eV

G-values − H

O e

OH H H

O

H

HO

g （X） -ray 4.11 2.64 2.82 0.57 0.645 0.45 ─ a -ray 2.65 0.06 0.24 0.21 0.985 1.3 0.22

図

1

a

g

X

（線量率

1 Gy ／ s

原子分子の電離に必要なエネルギー： eV 〜数 10eV

G 値：

放射線による電離効率を表す吸収エネルギー 100eV あたりの 電離数で比較される（放射線の種類によって異なる）

X 線と α 線による水分解で生成する際の G 値

各種放射線の特徴

Radiation source

Beta ray (e-) Alpha ray

Gamma ray, Neutron

Beta ray (e+)

磁場と各種放射線の軌道

ガンマ線はエネルギーが高く 指向性が高い。

荷電粒子は磁場の影響を強 く受ける

制御性に重要なポイント

ガンマ線での線量率の制御は距離に依存

物質へのエネルギー付与（透過）と減衰

粒子線 物質

1MeV 〜 0.1MeV

γ 線

物質

1MeV 1MeV

r

同じエネルギーの

γ

60 Co

粒子線では線量率は、装置

•

•

〜cm

エネルギーが減衰

I = I ₀ exp(- µ r)

Energy

Depth

Dose

Depth

放射線の特性

阻止能 → 線エネルギー付与（ LET ）

飛程

particles

electromagnet wave

物質へのエネルギー付与と減衰

各種放射線と物質の相互作用

電磁波の減衰：主に吸収

荷電粒子の減衰：主に散乱と非弾性衝突

物質へのエネルギー付与と吸収

X 線の吸収

K-edge

厳密な指数関数的減少ではなく、段階がある

→ 物質（軌道電子）との相互作用に起因

X-ray absorption and decay

量子線入射による軌道電子の遷移（励起）と放射

0 1 2 3

X線波長, λ/Å

Mo Kα線

Mo Kβ線

連続X線

25kV

20kV 15kV

10kV

5kV

原子核

e-

制動放射

e-

e- e-

e- e-

e-

e-

e- e-

e-

e-

特性

X

（連続）

Characteristic x-ray

Bremsstrahlung x-ray

量子線入射による軌道電子の遷移（励起）と放射

入射X線 蛍光X線

光電子

オージェ電子

電子軌道

（エネルギー）

K

L

^LII

^LIII

M

特殊な例

Auger electron photoelectron

X-ray fluorescence

orbital electron

軌道電子による特性 X 線の発生

K軌道 L軌道 M軌道

I II III IV V

II I III

K α2 K α1

K β2 K β1

L α2 L α1

原子核

特性Ｘ線 e-

光子

L軌道 K軌道

M軌道 光電子

e-

e- e- e-

e- e- e-

e-

e-

e-

各軌道電子が入射量子線により励起され、軌道 間の電子遷移によるエネルギー放射が起こる

→X 線のエネルギーに相当

orbital

各種特性 X 線の波長と励起電圧

　　　 X線の波長　（Å） 各線の強度比 励起電圧（kV） Kβ除去

Κα1 Κα2 Κα Κβ1 K吸収端 Κα1 Κα2 Κβ1

Cr 2.2896 2.2935 2.2909 2.0848 2.0701 5.98 V Fe 1.9360 1.9339 1.9373 1.7565 1.7433 7.10 Mn Co 1.7889 1.7928 1.7902 1.6207 1.6072 　　　20 7.71 Co Cu 1.5405 1.5443 1.5418 1.3922 1.3804 100 50 | 8.86 Ni Mo 0.7093 0.7135 0.7107 0.6323 0.6198 　　　30 20.0 Zr Ag 0.5594 0.5637 0.5608 0.4970 0.4858 25.5 Pd

各元素による軌道間エネルギー準位の違いを利用して X 線のフィルタに利用 また、これらの違いを詳細に観測する事で元素分析に繋がる

励起電圧：特性 X 線を発生させるために必要な管電圧の最小電圧

X 線のフィルタ効果

λ μ/ρ

K-edge

L-edge

λ

I Ni K-edge

Absorption profile ある X 線をフィルタ材に透過させて単色化

Cu K

フィルタ後の

X

X-ray filtering

Ni K-edge 8331.5eV(1.488å) Cu K-line 1.54å

1.54

1.49

低エネルギー電子

~10keV

~100 nm

~500keV 高エネルギー電子

~10MeV

~100 µ m

e ⁺ e ⁺

~ cm

エネルギーと侵入深さ

µ m cm

surface

depth

エネルギーが高いほど深く侵入する

荷電粒子

物質中での粒子の飛呈

弾き出しの基礎過程

NRT (Norgett, Robinson, Torrens model) モデル

荷電粒子の物質中での反応過程は、主に弾性散乱、非弾性散乱に分 類される。このうち、原子との直接衝突に因る弾き出しである弾性散乱 によって主に格子欠陥が導入される。

原子は格子位置からはぎ取るのに必要な 結合エネルギー以上の衝突による粒子の 衝突によってエネルギーを失いながら進む。

このときに弾き出す原子の数は、

N _d = k E _D /2E _d

E _D :損傷エネルギー（弾き出し一次原子エネルギーの関数）

E _d :弾き出し閾エネルギー

k :損傷効率

PKA

PKA: Primary Knocked on Atom

1974

1955: Kinchin & Peace model

粒子線による原子の弾き出し

弾き出し速度は以下の式で与えられる。

これは弾き出し速度（１原子当りの弾き出し回数）で単位時間当りの dpa (displacement par atom) という。ここで、 σ _d (E) は弾き出し断面積、

は E から E+dE にあるエネルギー粒子の数を表している。そ のため、照射量 € f _total による全弾き出し数は、

dpa / t = ∫ ₀ ^∞ σ _d ( ) ^{E φ ( E , t )dE}

€

φ( E, t)dE

€

dpa = t φ _total ∫ ₀ ^∞ σ _d ( ) E ^{φ ( E )dE = t φ total σ d}

10keV electron

Au C

500nm surface

10keV electron

異なるターゲットに照射した電子の侵入深さのシミュレーション

対象物質にも依存する [ 密度 ]

損傷領域

（モンテカルロ計算）

19.32 g/cm ³ 2.260 g/cm ³

NRT モデルを用いた損傷とエネルギーの深さ方向の堆積

TRIM (TRanspotation of Ion in Material) code

SRIM (the Stopping and Range of Ions in Matter) code

1983 released

Produced by James F. Ziegler

エネルギーと波長の関係式：E

= hv (1nm ≒ 1.24eV) h： プランク定数、 v： 波長

波長 エネルギー 電荷 質量 備考

(m) (eV) (C) (kg)

マイクロ波

10cm 0.01 – 10 ^-6

赤外線

1µm 1.6 – 10 ^-3

可視光線（レーザ）

300

800nm 3 - 1.6

X

10nm 10 ⁵ - 100

Γ

pm > 10 ⁵

電子線 ＊

0.1nm

12.4 -1.6 x 10 ^-19 9.1 x 10 ^-31

陽電子

↑ ↑ 1.6 x 10 ^-19 9.1 x 10 ^-31

陽子線

1.6 x 10 ^-19 1.6 x 10 ^-27

イオン線 ^価数

^{x 1.6 x 10}

加速

中性子線 ー

1.6 x 10 ^-27

α

3.2 x 10 ^-19 6.4 x 10 ^-27

各量子線の比較

＊参考値

物質 中を 透過 しに くい

透過しにくい

透過しにくい 透過しにくい

粒子的振舞いによる相互作用

粒子としての振舞い

粒子

弾き出し

原子、電子との直接相互作用（弾性的）

原子配列に欠陥（乱れ）が生じる

様々な性質に影響

格子欠陥（結晶欠陥）の生成

新たな機能性の付与

物質研究の用途

波動的性質による物質相互作用 ---X 線

X 線回折

半導体ウェハの材料内部に作成時 に生成した欠陥分布

X 線透過法

Ｔｉ+Ｓｒ

X 線分光

20 40 60 80 100 120

intensity [arb.u.]

2θ [ ]

元素を特定する

結晶欠陥を検出する 原子配置（並び）を調べる

e-

e- e-

e- e- e-

e-

特性

X

θ θ

d 2dsinθ=nλ

(110)

(200)

(211)

波の散乱 電子励起、電気的相互作用、非弾性散乱

波の回折、干渉