x线及物质相互作用

1、第二章 放射物理基础X线与物质相互作用2022-1-131当X-ray进入物体时，会有三种情形发生：被物体吸收 （Absorption)产生散射现象（Scatter）穿透（Penetration） 2022-1-132 相比于电子在靶物质中的情况，光子在物质中： 电离 激发 生热 碰撞损失 生物效应2022-1-133 在各种可能的相互作用中： 光电效应（photoelectric effect） 康普顿-吴有训效应（Compton effect） 电子对效应（electronic pair effect） 相干散射。 相互作用的结果，是发生上述效应，而X线光子被衰减2022-1-134一、X

2、线衰减系数 当X线通过距离为dx的物质时，由于上述各种过程，射线强度I被衰减，衰减量表示为dI，用衰减系数来表示衰减的强弱：2022-1-135dxIdIIdxdI 由于X线通过物质时的主要相互作用是光电效应、康普顿效应及电子对效应三种过程损失其能量的绝大部分，忽略其他作用后，有： 式中，为光电效应衰减系数，为康普顿效应衰减系数，为电子对效应衰减系数。2022-1-136 通常会采用质量衰减系数m来表达物质对射线衰减的强弱： 式中，m为光电效应质量衰减系数，m为康普顿效应质量衰减系数，m为电子对效应质量衰减系数。2022-1-137mmmmm二、光电效应2022-1-138与光电效应有关的诺贝

3、尔物理学奖 1921年，爱因斯坦因建立光量子理论并成功解释了光电效应而获奖。 1922年，玻尔因建立原子理论（因密立根证实了光量子理论而获得了实验支持）而获奖。 1923年，密立根因测量基本电荷和研究光电效应而获奖。2022-1-139 光子通过物质时与原子内层轨道电子相互作用，将全部能量交给电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，光子本身整个被原子吸收，这样的作用过程称为光电效应。 与特征X线产生的相似性（碘、钡、钙）2022-1-1310 光电效应中产生： 负离子（光电子、俄歇电子） 正离子 特征辐射 2022-1-1311 光电效应的发生几率（对X线衰减系数）： 入射光子能量轨

4、道结合能 入射光子能量不能过高 几率正比于1/(h)3 原子序数越高几率越大，几率正比于Z42022-1-1312341ZAcm原子边界限吸收 m（光电效应发生率）一般随入射光子能量的增大而降低 当入射光子能量增加到恰好等于原子轨道电子的结合能时，m突然增加。这些吸 收突然增加处称为吸收限 当光子能量等于K层电子的结合能时，发生K边界限吸收（K缘吸收）；等于L电子的结合能时，发生L边界限吸收（L缘吸收） 最重要的是K边界限吸收，因为光电效应主要发生在K层电子轨道。2022-1-13132022-1-1314 对照片质量的影响 不产生散射线 增强天然对比度2022-1-1315 对被检者的影响：

5、 增加了辐射剂量 应对方法： 增大管电压（高千伏摄影）2022-1-1316三、康普顿-吴有训效应 效应/散射2022-1-1317 实验和理论证明康普顿质量衰减系数m： 几率正比于1/(h) 原子序数越高几率越大，几率正比于Z2022-1-1318ZAcZANcm201 光子与原子的外层轨道电子相互作用，光子交给轨道电子部分能量后，频率发生改变，并散射。轨道电子同时脱离并出射。 反冲电子与散射光子（出射角度） 康普顿散射光子的角分布强烈地依赖于入射光子的能量。2022-1-1319 散射波长改变量的数量级为 10-12m，可见光波长10-7m，所以观察不到康普顿效应。 散射光中有与入射光相同

6、的波长的射线，是由于光子与原子碰撞，原子质量很大，光子碰撞后，能量不变，因此散射光频率不变。 由于康普顿对“康普顿效应”的一系列实验及其理论解释，因此获得了1927年诺贝尔物理学奖（与英国的威尔逊一起分享）2022-1-1320 产生散射 对照片质量的影响 散射线2022-1-1321四、电子对效应2022-1-1322 入射光子在原子核场或电子场中，突然消失而转化为一对正、负电子 正、负电子有各自的动能 正电子遇到其它电子后发生湮灭效应，产生湮灭辐射 湮灭效应是指正电子与电子相遇后消失，转变成为能量相同、方向相反的两个光子，光子能量为511keV 能量相同、方向相反的两个能量为511keV光

7、子称为湮灭辐射爱恩斯坦的质量能量互换原理2022-1-13232022-1-13242022-1-1325 对照片质量无直接影响 发生机率正比于Z2在常用X线能量范围内发生几率低，在诊断X线范围内不可能发生。2022-1-132642022-1-13272022-1-13282022-1-13292022-1-1330在20100keV诊断X线能量范围内，只有光电效应和康普顿效应是主要的，相干散射所占的比例很小，并不重要，光核反应可以忽略，电子对效应不可能发生。X线衰减规律 X线的衰减：距离所致、物质吸收所致 距离：X线强度与距离（半径）的平方成反比 应用：利用焦点至胶片距离的办法来调节强度2

8、022-1-1331 物质：相互作用所致 原子序数、密度、穿透厚度 应用：成像，滤过2022-1-1332一、单能窄束X线的衰减规律 单能窄束的获取方法 服从朗勃-比尔定律（指数衰减规律）： ：线性衰减系数/线性吸收系数，m：质量衰减系数，lm质量厚度2022-1-1333mmlleIeII00 诊断X线频段，X线能量较低，光电效应起主导作用，故而：影响吸收系数的因素： 原子序数 射线波长2022-1-133434ZKm 混合物与化合物的衰减 有效原子序数 是指在相同的条件下，1kg复合物质与1kg单质所吸收的辐射能相同时，此单质的原子序数Z就称为复合物质的有效原子序数 计算公式如下：fi为第

9、i种元素在单位体积中电子数的占有比率（或为第i种元素的原子在分子中的原子个数），Zi是第i个原子序数2022-1-133594. 2)(94. 2iiiZfZZ二、宽束X线的衰减规律 在窄束的指数衰减规律上加入积累因子B 加以修正： 式中Nn为物质中未经碰撞的原射线光子的计数率，Ns为在物质中散射光子的计数率，N为在物质中光子的总计数率，N =NsNn。2022-1-1336leBII0nsnsnnNNNNNNNB1三、连续X线的衰减规律 能谱衰减 能谱平均能量一般在最高能量的1/3至1/2之间 高能与低能的衰减程度不同2022-1-1337 衰减情况 如图2022-1-1338X线通过人体的衰减规律 X线在人体中，主要通过光电效应和康普顿效应两种作用形式使其衰减。 物质的原子序数Z高、密度大，吸收X线多，X线穿透性差。 为了增加组织间的对比度，还常用各种人工造影检查，来扩大X线的诊断范围。2022-1-1339X线通过人体的衰减规律 密度最大的是骨，它含有大量的钙质，钙的Z(20)较高，所以骨吸收X线最多； 各种软组织（包括结缔组织，肌肉，软骨等）以及体液都是由氢、碳、氮、氧等低Z的原子组成，它们的密度与水相近，属于中等透过性组织； 脂肪组织的原子成分与软组织相似，但排列稀疏，密度比软组织小，X线的透过性较好； 肺部、胃肠道、副鼻窦及乳突内等均含有气体，气体虽然也是由氢、氮、氧