放射線治療 2-2 X線が物質に入ると何が起きるの？

2026年11月1日 21:28

X線は、物質をただ通り抜けるだけではない

X線が人体や水ファントムに入ると、一部はそのまま進み、一部は方向を変え、一部はエネルギーを物質へ渡します。

治療で重要なのは、X線が電子へエネルギーを渡す入口を理解することです。

光子と物質の相互作用にはほかにもコヒーレント散乱や光核反応などがありますが、この章では治療線量の理解に直結する光電効果、コンプトン散乱、電子対生成の3つに絞って整理します。

三つの相互作用は、名前だけを並べると別々の現象に見えます。しかし放射線治療の線量を考えるときは、X線のエネルギーが最終的にどの荷電粒子へ渡るかに注目するとつながります。

光電効果ではX線そのものが消えて光電子が生じ、コンプトン散乱では反跳電子と散乱光子に分かれます。電子対生成では高いエネルギーの光子から電子と陽電子が生じます。経路は違っても、治療線量の形成には、そこで生じた荷電粒子が物質へエネルギーを付与する過程が重要です。

また、実際の患者内では一種類の相互作用だけが起こっているわけではありません。光子エネルギーや物質の組成によって、それぞれの相互作用が起こる確率が変わります。

光電効果では、入射光子が原子に吸収され、そのエネルギーによって軌道電子が外へ飛び出します。この電子を光電子と呼びます。

概念的には、光電子の運動エネルギーは「入射光子エネルギー－電子の結合エネルギー」です。

光電効果は、低い光子エネルギーや高原子番号物質で相対的に起こりやすくなります。診断領域や骨・造影剤との関係を考えるときに特に重要です。

コンプトン効果では、光子が比較的弱く束縛された電子と相互作用し、反跳電子と散乱光子に分かれます。

入射光子のエネルギーの一部は電子へ渡り、残りは方向とエネルギーを変えた散乱光子として残ります。

低原子番号の軟部組織では、治療用MV X線の多くのエネルギー域でコンプトン散乱が主要な相互作用の一つです。光子エネルギーが高くなると、電子対生成の寄与も増えていきます。

ここで覚えたいのは、X線が直接すべてのエネルギーをその場へ置いていくわけではなく、まず高速電子を作るということです。

電子対生成では、光子が原子核の近くで消失し、電子と陽電子の対を作ります。

電子と陽電子それぞれの静止質量エネルギーは約0.511 MeVなので、原子核の場での電子対生成のしきい値は1.022 MeVです。

ただし、1.022 MeVを超えた瞬間に電子対生成が主役になるわけではありません。 相互作用の起こりやすさは、光子エネルギーと物質の原子番号などによって変わります。

1個のX線を見て、「これは必ずコンプトン散乱する」と決めることはできません。

それぞれの相互作用には断面積や相互作用係数があり、光子エネルギーや物質によって確率が変わります。そのため、軟部組織なのか高Z物質なのか、kV領域なのかMV領域なのかによって、どの相互作用が相対的に重要になるかを考えます。

この章の3つを、名前だけで暗記する必要はありません。

放射線治療では、

光子が相互作用する → 高速の荷電粒子が生じる → その荷電粒子が周囲へエネルギーを与える

という流れが重要です。

光子は「エネルギーを運ぶ役」、二次電子は「そのエネルギーを物質へ渡していく役」と考えると、第7章のカーマと吸収線量、第8章のビルドアップにつながります。

混同しやすいところ

電子対生成のしきい値1.022 MeVは「起こり得る最低エネルギー」です。「1.022 MeV以上では電子対生成が必ず支配的」という意味ではありません。

相互作用が起きると、一次X線の一部は吸収されたり、進行方向から外れたりします。次章では、この結果として生じる減弱を扱います。