X線

I

プロローグ

透過力のある電磁波で、波長が短く、0.01～100nm(ナノメートル：100万分の1mm)で、実験などでつかうには0.1nm程度のものが多い。ふつうタングステンでできた標的に高速の電子をうちこんで発生させる(→ 電磁放射：光：放射)。X線はレントゲン線ともよばれて、1895年にドイツの物理学者ウィルヘルム・レントゲンが高電圧の気体放電管で陰極線の実験をしているときに偶然に発見された。放電管が黒い厚紙の箱にいれられているにもかかわらず、近くにおいてあった白金シアン化バリウムの蛍光板が、放電管を操作するたびに蛍光を発したのである。蛍光は、紫外線よりも透過力のある目にみえない放射線によってひきおこされていると結論づけた(→ ルミネセンス)。レントゲンはこのみえない放射線を、未知の意味から「X線」と名づけた。X線をつかって手を撮影した写真の発表は、生きている人間の骨格がみられるという衝撃を、世界にあたえた。

II

X線の本性

X線の波長が短いほど、エネルギーが大きく、透過力も大きい。波長の長い、紫外線に近いX線は軟X線とよばれる。波長の短い、硬X線とよばれるX線は、ガンマ線と領域が一部重なる(→ スペクトル：放射能)。1つの波長からなるX線は単色X線とよばれ、いろいろな波長のX線が混合したものは白色X線とよばれる。光もX線も、原子の軌道電子が遷移するときに放出される。光は外側の電子、X線は内側の電子の遷移によって発生する。強い電場をくわえた制動放射の場合は、自由電子の減速や偏向によって発生する。ガンマ線はX線と同じようなものであるが、励起された原子核のエネルギー遷移によって発生する点がちがっている。→ 原子

X線は、高速の電子が物体に衝突すると発生する。電子のエネルギーの多くは熱によってうしなわれるが、残りのエネルギーが衝撃によって標的原子の中に変化を生みだし、X線を発生させる。放出されたX線は、それをつくりだした電子の運動エネルギー以上にはなりえない。放出されたX線は単色X線ではなく、広範囲の波長からなる連続スペクトルをしめす。短波長の側は、衝撃電子線の最大エネルギーに対応して鋭い端がえがかれる。この連続スペクトルは制動放射とよばれ、ドイツ語では「ブレーキ」という意味の「ブレムス・シュトラールング」とよばれ、標的の性質に関係ないものである。このように放出されたX線をX線分光計にとおすと、連続スペクトルの上に重なって、明確な線スペクトルが観察される。これらの線は特性X線とよばれ、標的原子の原子構造によってのみ決定される波長をあらわしている。つまり、高速の電子線が標的をたたくとき、自分自身のエネルギーよりも小さいエネルギーのX線を発生させる制動放射がおこなわれるとともに、標的原子に特定の波長のX線をも発生させるのである。

III

X線の発生

最初のX線発生装置はクルックス管であった。このX線管は、減圧されたガラス管に2つの電極をつけたもので、イギリスの化学者ウィリアム・クルックスにちなんで命名され、レントゲンがX線を発見した装置である。クルックス管では管内に電流をながすと、残留気体がイオン化され、正のイオンが陰極に衝突して電子を放出させる。電子は陰極線という電子流となって管のガラスをたたき、X線を発生させるのである。クルックス管ではエネルギーの低い軟X線しか発生しない。

X線管は改良され、湾曲した陰極によって電子線を重金属の陽極という標的に集中させることができるようになった。さらに1913年、アメリカの物理学者ウィリアム・クーリッジによって、クーリッジ管が開発された。クーリッジ管は、イオンによって電子を放出させるのではなく、熱真空管(→ 真空管)で、高真空で加熱フィラメントと標的をもち、補助電流によって加熱された陰極から電子を放出する。陰極からでた電子は、高電圧によって加速される。電圧がますと、放射X線の最低波長は短くなる。

今日つかわれるX線管の大部分はクーリッジ管を改良したものである。大型で強力なので水冷式の陽極をもち電子衝撃によって陽極がとけるのをふせいでいる。

IV

X線の性質

X線は光と同じように写真乳剤を感光させる(→ 写真)。物質によるX線の吸収は、物質の密度と原子量に依存する。原子量が小さい物質ほどX線に対して透明となる。人間の身体にX線があてられると、筋肉よりも重い元素でできている骨のほうがよけいにX線を吸収し、写真乾板に暗い影となってうつる。なお、X線と対照的なのが中性子線放射で、X線写真で影となってうつる物質は、中性子線写真では明るくうつる。