放射線治療 2-4 電子は物質の中でどうやってエネルギーを失うの？
X線から受け取ったエネルギーを、最後に物質へ渡すのは電子
第2章では、X線が物質と相互作用すると、光電子や反跳電子などの高速電子が生じることを確認しました。
その電子は、発生した場所にすべてのエネルギーを置いて止まるわけではありません。物質中を進みながら何度も相互作用し、少しずつ方向とエネルギーを変えていきます。
この性質が、吸収線量、ビルドアップ、電子線の飛程を理解する土台になります。
電子は「その場」でエネルギーを置いていかない
図の電子は、まっすぐ一直線ではなく、方向を変えながら進んでいます。電子は負の電荷を持つため、物質中の原子核や軌道電子とのクーロン相互作用を何度も受けます。とくに電子は軽いため、進行方向が変わりやすい粒子です。
ここで、電子が実際に通ったジグザグの道のりと、入射方向へどれくらい深く進んだかは別物です。これが「飛程」を考えるときに重要になります。電子線治療で、エネルギーが高いほど深く届く一方、ある深さから線量が急に落ちるのは、この連続的なエネルギー損失と散乱が関係しています。
主なエネルギー損失は「衝突」と「放射」
電子のエネルギー損失は、大きく衝突損失（collision loss）と放射損失（radiative loss）に分けて考えます。
衝突損失
電子が原子の軌道電子とクーロン相互作用し、電離や励起を起こしてエネルギーを失います。
放射線治療でいう「物質へエネルギーが与えられる」という部分の中心です。
放射損失
高速電子が原子核の電場で減速・偏向されると、制動放射（bremsstrahlung）として光子を放出することがあります。
装置編で、ターゲットへ高エネルギー電子を当ててX線を作った現象と同じ種類です。
電子エネルギーが高いほど、また物質の原子番号が高いほど、放射損失の寄与は大きくなる傾向があります。
電子はまっすぐ進まない
荷電粒子である電子は、原子核や軌道電子とのクーロン相互作用を繰り返します。
特に電子は質量が小さいため、方向を変えやすく、物質中では多重クーロン散乱を受けながらジグザグに進みます。
そのため、飛程＝直線で進んだ距離ではありません。実際の電子の軌跡の長さと、入射方向へどこまで到達したかは別です。
阻止能は「どれくらいの速さでエネルギーを失うか」
電子が単位距離進むあいだに、平均してどれくらいエネルギーを失うかを表す考え方が阻止能（stopping power）です。
密度で割った質量阻止能も線量計測で重要になります。
電子線PDDを電離箱で測る場合、測定した電離量をそのまま線量とみなせない理由の一つが、阻止能比が深さに応じて関係するためです。
「飛程」があるから電子線治療に特徴が出る
光子は減弱しながら深部まで到達します。一方、電子は物質中で連続的にエネルギーを失い、有限の飛程を持ちます。
このため電子線では、表面近くに比較的高い線量を与えやすく、ある深さを超えると線量が急速に低下し、エネルギーが高いほど深く届くという特徴が生まれます。
ただし、散乱や制動放射によるX線成分もあるため、「ある深さで完全にゼロになる」とは考えません。
装置編とのつながり
ターゲットでは電子の放射損失を利用してX線を作りました。一方、水や軟部組織のような低原子番号物質では、臨床で用いる電子は主として衝突過程によってエネルギーを失い、吸収線量の形成に寄与します。放射損失もゼロではありません。
次は、「放射線場の量」を数える
ここまでで、光子と電子の動きが見えてきました。次章では、「何個の粒子が飛んでいるのか」「どれくらいのエネルギーが運ばれているのか」を表すフルエンスへ進みます。
