対生成（電子・陽電子生成）の定義と原理 ― エネルギー閾値と応用例

対生成の定義と物理原理、25MeV前後のエネルギー閾値、発生確率と物質依存性、医療・放射線などの応用例を図解でわかりやすく解説。

物理学における対生成（電子・陽電子生成）とは、高エネルギーの光子が物質の電磁場（通常は原子核のクーロン場）と相互作用して、正（陽電子）と負（電子）の一対の荷電粒子を生成する現象を指します。光子は自身のエネルギーを粒子の静止エネルギーと運動エネルギーに変換し、陽電子はやがて自由電子と結合して消滅（消滅過程やポジトロニウム形成の後に）します。陽電子の消滅では典型的に2つのガンマ線（各511 keV）がほぼ反対方向に放出されます。

原理

対生成は、単独の光子が真空中で単独で電子対を作ることはできないため、運動量保存のために第三者（通常は原子核や束縛された電子）の存在を必要とします。光子が原子核や電子の電磁場に近づくと、その場から運動量の一部を受け取ることで、光子のエネルギーが電子・陽電子対の生成に使われます。生成された2つの粒子はエネルギーと運動量の保存則を満たすようにそれぞれの運動エネルギーと方向を決めます。生成直後に2粒子が完全に逆向きに飛び去るわけではなく、エネルギーや場の種類（核の有無、入射エネルギー）によって角度分布は変わります。

エネルギー閾値と断面積の特徴

閾値：対生成が起きるために必要な光子エネルギーは、最低でも電子・陽電子の静止質量の和に相当するエネルギー、すなわち 2 m_e c^2 = 約1.022 MeV です（これは原子核の場を借りる場合の基本閾値です）。自由電子の場で起こる「トリプレット生成」など、第三者により必要な運動量の供給が異なる場合は、実効的な閾値がやや高くなることがあります。

断面積（発生確率）の依存性：対生成の確率は光子エネルギーが閾値を超えると急激に増加し、その後さらに高エネルギー域で優勢になります。また、原子番号Zの高い材料では核のクーロン場が強くなるため断面積が大きくなり、概して 原子番号に依存して増加します（高Z材料で有利）。実際の相互作用の優位性はエネルギーによって変わり、低エネルギーでは光電効果、高エネルギー中間域ではコンプトン散乱、さらに高エネルギー域では対生成が支配的になります。

関連現象と注意点

• 生成された陽電子は物質中で減速し、最終的に自由電子と結合して消滅（annihilation）します。消滅の標準過程は2光子消滅で、各光子のエネルギーは511 keVです。
• 陽電子は消滅前に電子と束縛状態を作ることがあり（ポジトロニウム）、その寿命や消滅モード（2光子、3光子など）は状態によって異なります。
• 光子同士の衝突で起こる対生成（二光子対生成、Breit–Wheeler過程）や強電場下での場起源の対生成など、原子核以外のメカニズムも理論・実験的に重要です。

応用例

• 医療診断：核医学の一種であるPET（ポジトロン断層法）は陽電子放出核種を利用し、陽電子の消滅で生じる511 keVガンマ線の同時検出により体内の分布を画像化します。
• 放射線治療：高エネルギーフォトンを用いる治療では、体内で対生成が生じ陽電子が生成されることがあり、線量分布や二次粒子の管理が必要になります（元の文章中の放射線治療に関連）。
• 高エネルギー物理学／天体物理学：加速器実験や宇宙線観測、天体高エネルギー現象では対生成が重要な過程として現れます。高Z材を使った検出器やシールド設計にも影響します。
• 材料解析・同位体生成：高エネルギー光子を用いた実験で生成される陽電子を利用した物性解析や同位体生成が行われることがあります。

まとめると、対生成は光子エネルギーが約1.022 MeVを超えると可能になる基本的で重要な相互作用であり、その発生率はエネルギーと物質の原子番号に大きく依存します。低エネルギーのX線領域では起こりにくい一方で、高エネルギー領域では主要な散乱過程となり、医療、計測、基礎物理の分野で広く応用・考慮されます。

質問と回答

Q: 物理学におけるペアプロダクションとは何ですか?

Q: ペア生成は原子のどこで起こるのですか?

Q: 対生成で光子はどうなるのですか?

Q: 対生成で生成された電子はどのように帯電するのですか?

Q:ペア生成の確率は何に影響されるのですか?

Q: ペア生成は通常、どのようなエネルギーレベルで起こりますか?

Q: 放射線治療で対生成はどのような場合に発生するのでしょうか?

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