《放射物理与防护》第四章

1、曲靖医学高等专科学校教 案 2017 至 2018 学年 第一 学期系 部 医学技术系 教研室（实验室） 医学影像教研室 课程名称 放射物理与防护 授课班级 影像技术班 授课教师 杨粉 职 称 讲师 使用教材 放射物理与防护 教案编写日期 2017.6 曲靖医学高等专科学校教务处制教 案首页授课时间 年 月 日 星期 节学时数授课章节第四章 X线与物质的相互作用授课方式理论课 讨论课 实践课 习题课 其它教学目的（目标）掌握：X（或）射线与物质相互作用规律及光电效应、康普顿效应、电子对效应发生机制。熟悉：X射线与组织相互作用；窄束X射线及宽束X射线的概念及其在介质中的衰变规律。了解：X（或）射

2、线与物质作用规律在射线诊断、屏蔽防护中的应用。教学重点难点1、教学重点：光电效应、康普顿效应、电子对效应 2、教学难点：窄束X射线及宽束X射线的概念及其在介质中的衰变规律教学方法多媒体示教+理论讲解教材参考文献高等医药院校教材（供医学影像专业用） 第三版的放射物理与防护（主编：王鹏程，李迅茹），人民卫生出版社；教 学 内 容时间分配板书或旁注第一节 概述电子与物质的作用形式，电离、激发、散射和轫致辐射。由带电粒子通过碰撞直接引起物质的原子或分子的电离称为直接电离，这些带电粒子称为直接电离粒子。不带电粒子通过它们与物质相互作用产生的带电粒子引起原子的电离，称为间接电离。这些不带电粒子称为间接电离

3、粒子。 电离辐射与物质的相互作用是X射线成像的物理基础和电离辐射剂量学的基础。一、X射线与物质相互作用的几率二、射线的衰减1、线衰减系数2、质量衰减系数三、能量转移和吸收1、能量转移系数2、能量吸收系数高速电子还可以发生辐射性碰撞而产生韧致辐射，韧致辐射线与散射线又象原射线一样继续与物质的原子作用。平均30次左右的相互作用，一个入射光子的全部能量都转移给电子。X光子进入生物组织后，光子能量在其中转移、吸收，最终引起生物效应。第2节 X射线与物质相互作用的主要过程X射线与物质相互作用的主要过程包括：光电效应(photoelectric effect)康普顿效应(Compton effect)电子

4、对效应(electronic pair effect）三种主要过程损失能量的绝大部分。其他次要过程有相干散射、光核反应等。hv < Ei 相干散射 hv Ei 光电效应hv >> Ei 康普敦效应hv 2mec2 电子对效应hv 很高 光核反应1、 光电效应概念能量为h的光子通过物质时，与原子的内层电子相互作用，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(光电子)，光子本身被原子吸收的作用过程称为光电效应。1、光电效应放出光电子的原子所处的状态是不稳定的，其电子空位很快被外层电子跃入填充，随即发出特征X射线光子。特征X射线在离开原子之前，又将外层电子击脱，

5、称为“俄歇电子”。在人体组织中特征X射线和俄歇电子的能量低于0.5keV，这些低能光子和电子很快被周围组织吸收。 1、光电效应概念光电效应的实质是什么呢？物质吸收X射线使其产生电离的过程。由能量守恒定律知，发生光电效应时，入射X射线光子能量h和光电子的动能Ee满足关系： 式中EB为原子第i层电子的结合能，与原子序数和壳层数有关。2、光电效应发生几率（1）物质原子序数的影响：光电效应的发生与物质的原子序数的4次方成正比。内层电子比外层电子发生光电效应的几率高4-5倍。（2）入射光子能量的影响：电子结合能容易发生光电效应。如一个34keV的光子比100keV的光子更容易与碘的K层电子发生作用。光子

6、能量愈大光电效应的发生几率迅速减小，与光子能量的3次方成反比。（3）原子边界吸收的影响:当入射光子能量hv增加到某一数值恰好等于原子轨道电子结合能时，吸收系数突然增加，这些吸收突然增加处称为吸收限。当光子能量等于原子轨道K电子结合能时，发生K边界限吸收；等于L结合能时，发生L边界限吸收；等于M结合能时发生M边界限吸收。 Ca是人体内Z最高的主要元素，它的K特征辐射只有4 keV，远小于X线光子能量，在其发生后点几毫米之内就被吸收了。人体内其它元素的特征辐射的能量更小(0.5 keV)。人体各组织由X线照射所产生光电效应的特征辐射将全被组织吸收。3、光电子的角分布光电子的角分布与光子的能量有关，

7、当光子能量很低时，光电子与入射方向成70°角射出的几率最大。随着光子能量的增加，光电子的分布逐渐倾向于前方（入射方向）。4、诊断放射学中的光电效应（1）诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个方面进行评价。 （2）光电效应能产生质量好的照片影像，原因：1）不产生散射线，减少照片的灰雾；2）增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别，产生高对比度的X射线照片。（3） 有害的方面是，入射X射线通过光电效应可全部被人体吸收，增加了受检者的剂量。在肿瘤治疗中可增加剂量，提高疗效。（4） 被检者从光电效应中接收的X线剂量比其他任何作用都多。一个入射光子的能量通过光电作用全部被人体吸收，在康普顿散射中

8、被检者只吸收入射光子能量的一小部分。（5） 从全面质量管理观点讲，应尽量减少每次X射线检查的剂量。二、康普顿效应反冲电子，反冲角度散射光子，散射角度，频率1 康普顿效应的产生散射光子的能量随散射角增大而减小，可得出康普顿散射中光子波长的改变为：表明对于给定的散射角，光子波长的改变与入射光子的能量无关。2、康普顿效应的发生几率实验和理论都可以准确证明康普顿质量衰减系数的表达式为式中c2=c1N0是另一个常数。2、作用几率若X射线光子通过单位距离的吸收物质时，因康普顿效应而导致的衰减称为康普顿线性衰减系数，用符号“”表示；而康普顿质量衰减系数，用符号“/”表示。实验和理论都准确地证明康普顿质量衰减

9、系数与入射光子能量之间的关系可表示为： 3、诊断放射学中的康普顿效应康普顿效应中产生的散射线是X线检查中最大的散射线来源。在X射线诊断中，从受检者身上产生的散射线其能量与原射线相差很少，并且散射线比较对称地分布在整个空间，这个事实必须引起医生和技术人员的重视，并采取相应的防护措施。另外，散射线增加了照片的灰雾，降低了影像的对比度，但与光电效应相比受检者的剂量较低。三、电子对效应概念：一个足够能量的入射光子与原子核场发生相互作用，光子突然消失而转化为一对正、负电子的过程。正电子与电子的质量相等，所带电量相等，性质相反。正电子与电子一样，在物质中由于电离或激发逐渐耗尽其动能。慢化的正电子在停止前的

10、一刹那，很快与物质中的自由电子复合，随即向相反方面射出两个能量各为0.511 MeV的光子，这个现象称为湮灭(annihilation)辐射。原子核场中产生电子对效应时，入射光子的能量h2m0c2(2m0c2=1.02 MeV)。电子对效应在原子核场中发生的几率，远大于在电子场中发生的几率。设+、-分别表示正、负电子的动能，得：h2m0c2+- 式中正、负电子的动能不一定相等，其能量是从0到最大值为Eh2mc2的连续能谱。若X射线光子通过单位距离的吸收物质时，因电子对效应而导致的衰减称为电子对线性衰减系数，用符号“p”表示；而电子对质量衰减系数，用符号“p/”表示。实验证明，电子对质量衰减系数

11、与原子序数和光子能量的关系可表示为：第3节 X射线与物质相互作用的其他过程相干散射也称为经典散射或瑞利散射。入射光子和束缚较牢固的内壳层轨道电子发生弹性散射。在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子跃迁到高能级，随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子，但传播方向发生改变。实际上就是x射线的折射。相干散射是X射线光子与物质相互作用中唯一不产生电离的过程。在整个诊断X射线的能量范围内都有相干散射产生，不过所占比例很小，对辐射屏蔽的影响不大，但在总的衰减系数计算中要考虑相干散射的贡献。光核作用所谓光核作用，就是光子与原子核作用而发生的核反应。这是一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和光子的

12、作用过程。对不同物质只有当光子能量大于该物质发生核反应的阈能时，光核反应才会发生。其发生率不足主要作用过程的5%。光核反应在诊断X射线能量范围内不可能发生。在医用电子加速器等高能射线的放疗中发生率也很低。 第4节 各种作用发生的相对几率1、 X射线引发效应总结 直接透过入 光电子射 光电吸收 俄歇电子X 特征放射射 散射光子线 吸收和散射 散 康普顿散射射 相干散射 反冲电子 正电子、电子 电子对效应 湮灭辐射光子二、Z和 与三种基本作用的关系诊断放射学中作用几率与有效原子序数和能量的关系小结 射线在医学中的应用基础是射线与组织的相互作用，在诊断X射线能量范围内，光电效应、康普顿效应所占的比例最大。光电效应是一种全吸收