光電効果とコンプトン効果の違い｜光子と電子の行方で理解する

光電効果とコンプトン効果を区別するときは、入ってきた光子が吸収されるのか、散乱した光子として残るのかを見ます。どちらも電子へエネルギーを渡すため、「電子が飛び出す」という説明だけでは区別できません。

ここでは、エックス線作業主任者を学ぶ人に向けて、物質中での二つの相互作用を整理します。学習手順・模式図・例題はTOKINASUが作成したもので、公式試験問題の転載ではありません。出典の確認日は2026年11月12日です。

最初に比べるのは、相互作用の後に何が残るか

模式的には、次のように読み分けられます。

• 光電効果：入射光子 → 吸収 → 光電子が飛び出す
• コンプトン効果：入射光子 → 相互作用 → 散乱光子 ＋ 反跳電子

光電効果の後でも、原子の状態が変わる過程で特性エックス線が放出される場合があります。「光子が吸収される」とは、入射光子についての説明です。後から出る特性エックス線を、入射光子が散乱して残ったものと混同しないようにしましょう。JAEA「光電効果」「コンプトン効果」節、中島真也の研究論文・1.2.1節

光電効果では、結合エネルギーを引く

原子に束縛された電子を外へ出すには、その結び付きを解くためのエネルギーが必要です。入射光子のエネルギーをE、電子の結合エネルギーをBとすると、光電子の運動エネルギーは E − B で表されます。

この説明はEがBより大きい場合を考えています。入射光子が吸収されても、そのエネルギーが全部そのまま光電子の運動エネルギーになるわけではありません。JAEA「光電効果」節

たとえば学習用に、E＝40 keV、B＝10 keVと置くと、光電子の運動エネルギーは30 keVです。Eだけを60 keVへ変えれば50 keVになります。数値は特定の元素を示すものではなく、引く量を確かめるための設定です。

ノートには「40 − 10＝30」だけでなく、「入射光子 − 結合＝光電子の運動」と添えてみてください。keVはこの例でエネルギーを表す単位で、引き算では両方の単位をそろえます。

コンプトン効果では、散乱光子にもエネルギーが残る

電子を初めは静止した自由電子として扱うモデルでは、入射光子のエネルギーEは、散乱光子のエネルギーE′と反跳電子の運動エネルギーに分かれます。したがって、電子の運動エネルギーは E − E′ です。束縛された電子にこのモデルを使うときは、その結合エネルギーを無視できるという前提があります。

また、散乱後の光子のエネルギーは散乱角によって変わります。同じ入射エネルギーなら、光子が後ろ向きに散乱する180度の場合に、電子へ渡るエネルギーが最大になります。「いつも半分ずつに分かれる」とは覚えないでください。中島真也の研究論文・1.2.1節、式1.2〜1.3、JAEA「コンプトン効果」節

復習では、二つの式で引いているものを比べましょう。光電効果のBは電子の結合エネルギー、コンプトン効果のE′は散乱して出ていく光子のエネルギーです。どちらも引き算ですが、引く相手が違います。

材質やエネルギーだけで現象を決めつけない

相互作用の起こりやすさは、入射光子のエネルギーや物質の原子番号に左右されます。光電効果は、概して原子番号が大きい物質や低い光子エネルギーで重要になります。ただし、どちらが優勢かを分けるエネルギーは物質によって異なります。JAEA「光電効果」「コンプトン効果」節

問題文を読むときは、「起きた現象の説明」と「起こりやすさの比較」を分けてください。前者なら光子の行方、後者なら材質やエネルギーという条件に印を付ける方法があります。「低エネルギー」という語だけで、必ず光電効果だと判断する読み方は避けましょう。

条件を変えた三つの例で、判断の根拠を確かめる

まず右欄を隠し、自分ならどの語を根拠にするか考えてみてください。

間違えた場合は、現象名を繰り返すよりも、「光子の行方を見落とした」「結合エネルギーと散乱光子のエネルギーを混同した」のように原因を一行で残しましょう。次は同じ表の数値や説明順を変え、根拠を言えるか試してみてください。

原理を説明できたら、問題演習へ進む

エックス線作業主任者の試験には、管理・関係法令・測定・生体影響の4科目があります。安全衛生技術試験協会の試験案内で全体の構成を確認できます。

試験全体の準備は科目と合格基準から考える記事、解いた後の整理は過去問の復習方法の記事につなげてください。

TOKINASUではエックス線作業主任者コースを公開しています。演習教材を選ぶ際は、提供内容と自分が復習したい項目を照らし合わせましょう。まずは「光子が吸収されるか、散乱して残るか」を説明できる状態を目指してみてください。