蛍光X線分析とは何か？なぜ蛍光X線は元素ごとに固有なのか？ICPとの違いは？

この記事で分かること

蛍光X線分析

　機器分析とは、化学反応を用いる古典的な化学分析に対し、物質が持つ物理的・化学的性質を精密な機器で測定し、その物質の成分や構造を分析する方法の総称です。

　高感度で迅速な分析が可能であり、微量な成分や複雑な混合物も精度高く分析できるため、現代の科学技術分野で広く利用されています。　

　今回は蛍光X線分析に関する記事となります。

分光分析とは何か

　分光分析は、光と物質の相互作用を測定する手法です。紫外可視分光光度法で濃度、赤外分光法で構造、原子吸光分析法で金属元素の定量、蛍光X線分析法で元素組成、核磁気共鳴分光法で分子構造の解析など、使用する光の種類や原理によって多岐にわたります。

蛍光X線分析とは何か

　蛍光X線分析（XRF：X-ray Fluorescence）とは、試料にX線を照射した際に発生する「元素固有のX線（蛍光X線）」を測定することで、その物質に何の元素がどれくらい含まれているかを調べる分析手法です。

「物質の指紋」を読み取るようなイメージで、対象を壊さずに素早く分析できるのが大きな特徴です。

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1. 仕組み（原理）

　蛍光X線が発生するプロセスは、以下の3ステップで説明できます。

1. 照射： 外部から強いX線（一次X線）を物質に当てます。
2. 励起（れいき）： X線のエネルギーによって、原子の内側にある電子（内殻電子）が弾き飛ばされ、そこに「穴（空孔）」ができます。
3. 放出： 不安定になった状態を埋めるため、外側の電子がその穴に移動します。この際、余ったエネルギーがX線として外に飛び出します。これが蛍光X線です。

　この蛍光X線のエネルギー（波長）は、元素ごとに決まった値（固有値）を持っています。そのため、出てきたX線のエネルギーを測れば「鉄がある」「金がある」といった同定ができるのです。

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2. 蛍光X線分析の主なメリット

• 非破壊分析： 試料を燃やしたり溶かしたりせず、そのままの状態で測定できます。
• 迅速・手軽： 多くの成分（ナトリウムからウランまで）を数分程度で同時に分析可能です。
• 多様な形状に対応： 固体だけでなく、粉末や液体、薄膜なども測定できます。
• 前処理が少ない： 複雑な化学処理が不要なことが多く、現場での測定も可能です。

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3. どんなところで使われているのか

　私たちの身の回りのさまざまな場面で活用されています。

分野	具体的な用途
環境規制	家電や玩具に含まれる有害物質（鉛、カドミウムなど）の検査（RoHS指令への対応）。
貴金属・鑑定	金やプラチナの純度測定、偽造品の判別。
製造・品質管理	合金の種類（鋼種）の特定、メッキの厚さ測定。
考古学・美術	土器や絵画の顔料を分析し、産地や年代を推定する。
地質・資源	鉱石の成分分析や、土壌汚染の調査。

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4. 装置の種類

　大きく分けて、ハンディタイプと大型の据置タイプがあります。

• エネルギー分散型 (EDXRF)： 装置が小型で、現場に持ち込んで測定するのに向いています。
• 波長分散型 (WDXRF)： 感度と精度が非常に高く、研究室などで精密な定量分析を行う際に使われます。

なぜ蛍光X線が元素ごとに固有なのか

　蛍光X線が元素ごとに固有（＝他の元素と重ならない「指紋」のようなもの）である理由は、原子核のプラスの力と、電子が回る「軌道（エネルギー準位）」の関係にあり、「元素ごとに電子の『階段の段差』が異なるから」です。

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なぜ「固有」なのか

1. 原子番号（プラスの数）が違う元素ごとに、中心にある原子核のプラスの数（原子番号）が異なります。プラスの力が強いほど、電子は原子核に強く引きつけられ、電子が回る軌道のエネルギー状態が変わります。
2. 電子軌道のエネルギー（段差）が決まる電子は適当な場所を回っているわけではなく、K殻、L殻、M殻といった「決まった高さの階段（軌道）」に存在しています。この階段の高さ（エネルギー準位）は、原子核のプラスの力に依存するため、元素ごとにその「段差の幅」が厳密に決まっています。
3. 放出される光は「段差の差分」蛍光X線は、内側の階段から電子が弾き飛ばされた「穴」を埋めるために、外側の階段から電子が飛び降りる際に発生します。この時、「飛び降りた高さの差（エネルギー差）」がそのままX線として放出されます。

　「階段（軌道）の高さ」が元素ごとに違うため、そこから生まれる「段差の差分（X線のエネルギー）」も元素ごとに必ず違う値になります。これを定式化したものが物理学の「モーズリーの法則です。

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視覚的なイメージ

• 鉄 (Fe) の場合： 階段の段差が「鉄専用のサイズ」なので、鉄特有のエネルギーのX線が出る。
• 銅 (Cu) の場合： 鉄よりも原子核のプラスが強いため、階段がより急になり、鉄よりも高いエネルギーのX線が出る。

　このように、測定器でX線のエネルギー（強さ）を測れば、「この段差は鉄のものだ」と100%特定できるのです。

ICP発光分析との違いは

　蛍光X線分析（XRF）とICP発光分析（ICP-OES）は、どちらも元素を分析する手法ですが、最大の大きな違いは「試料を溶かす必要があるか」と「分析の感度（細かさ）」にあります。

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主な違いの比較表

特徴	蛍光X線分析 (XRF)	ICP発光分析 (ICP-OES)
試料の状態	固体のまま（粉末・液体も可）	液体（溶液化が必要）
破壊性	非破壊（そのまま測れる）	破壊（溶かすため元に戻らない）
感度	数ppm〜（主成分・副成分向き）	数ppb〜（微量・不純物向き）
前処理	ほぼ不要（置くだけ）	非常に手間（酸で溶かす等）
得意な元素	重い元素（金属など）	軽い元素（Li, Be, Bなど）も得意

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1. 測定の仕組みの違い

• XRF（蛍光X線）： 固体にX線を当てて、表面から出てくるX線を測ります。
• ICP（発光分析）： 試料を酸などで溶かして液体にし、それを超高温のプラズマ（約7,000〜10,000℃）の中に霧状にして吹き込み、元素が発する「光」を測ります。

2. 使い分けのポイント

• XRFが向いている時： 「今すぐこの金属の種類を知りたい」「製品を壊さずに有害物質をチェックしたい」という迅速さ重視の現場向きです。
• ICPが向いている時： 「100万分の1以下のわずかな不純物まで正確に測りたい」「液体の中の成分を知りたい」という、研究室レベルの精密分析向きです。

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