辐射与物质的相互作用

1、1第三章第三章 辐射与物质的相互作用辐射与物质的相互作用 1 1、辐射与物质的作用类型及能量损失、辐射与物质的作用类型及能量损失 2 2、电离辐射的生物学作用、电离辐射的生物学作用 3 3、生物靶的调节作用、生物靶的调节作用 4 4、影响电离辐射作用的主要因素、影响电离辐射作用的主要因素21. 辐射与物质的作辐射与物质的作 用类型及能量损失用类型及能量损失A. .辐射与物质作用的种类辐射与物质作用的种类一一. X（）射线与物质的作用射线与物质的作用二二. 射线与物质的作用射线与物质的作用三三. 射线与物质的作用射线与物质的作用四四. 中子中子与物质的作用与物质的作用五五. 带电重粒子带电重粒子

2、与物质的作用与物质的作用3一一. .X ()射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用4. . 光电效应光电效应. . 康普顿效应康普顿效应Wmvhf 221+eehfhfhf eEhfhf . . 电子对效应电子对效应)()(22 EcmEcmhfee EEMev02. 1+hfZee-e+1、 X 线与物质相互作用的过程线与物质相互作用的过程5(1).(1).光电效应特征光电效应特征 放出光电子的原子变成正离子并处放出光电子的原子变成正离子并处于激发态；外层电子向内层填充产生于激发态；外层电子向内层填充产生特征特征X X线线; ;特征线离开原子前又击出外特征线离开原子前又击出外层层( (俄歇

3、俄歇) )电子电子. .光电子、正离子、特征光电子、正离子、特征X光子、俄光子、俄歇电子歇电子光电效应的次级粒子光电效应的次级粒子.光电效应光电效应( (光子与原子内层电子作用光子与原子内层电子作用）6(2). 光电效应的发生几率光电效应的发生几率a. 原子序数的影响原子序数的影响 光电效应几率光电效应几率 Z Z4 4 内层比外层发生几率大内层比外层发生几率大45倍倍341 ZAcm 31hf 但必须大于结合能但必须大于结合能c. 原子边界限吸收的影响原子边界限吸收的影响b. 入射光子能量入射光子能量的影响的影响 光电效应几率光电效应几率防护材料选取的依据防护材料选取的依据L限限K限限吸收限

4、吸收限 吸收限吸收限光子能量光子能量光电质量衰减系数光电质量衰减系数.光电效应光电效应( (光子与原子内层电子作用光子与原子内层电子作用）7(3). 光电子的角分布光电子的角分布 光电子的角光电子的角分布与入射分布与入射X光子能量有关光子能量有关能量低能量低 大角度分散大角度分散能量高能量高 小角度集中小角度集中（电离方向）（电离方向）.光电效应光电效应( (光子与原子内层电子作用光子与原子内层电子作用）8(4). (4). 放射诊断学中的光电效应放射诊断学中的光电效应a. 优点优点 提高成像质量提高成像质量b. 缺点缺点 入射入射X X线通过光电效应几乎全部被人线通过光电效应几乎全部被人放疗

5、时增加对肿瘤组织的剂量放疗时增加对肿瘤组织的剂量因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾利用造影剂可增加对比度利用造影剂可增加对比度.光电效应光电效应( (光子与原子内层电子作用光子与原子内层电子作用）体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作用。负面作用。9(1). 康普顿效应的发生几率康普顿效应的发生几率原子序数的影响原子序数的影响 康普顿效应几率康普顿效应几率 Z/AZ/A 除氢元素外，大多数材料具有相同的除氢元素外，大多数材料具有相同的Z/A ZAcm2 hf1 b. 入射光子能量入射光子能量的影响的影响 康普顿效应几

6、率康普顿效应几率.康普顿效应康普顿效应( (与原子外层电子作用与原子外层电子作用）10nm2sin00241. 022o Crystal gratingX-Ray o （ o）康普顿康普顿 散射波长散射波长 spectra o : 入射波长入射波长波长波长cmhe(2). (2). 散射光子的波长散射光子的波长11 hfoXYvhf22oomchfcmhf coscosomvhh sinsin0mvh 22o1cvmm 考虑：考虑：oo cf cf 2sin22oo cmh )nm(002426.0o cmhCompton wavelengthelectron122sin21220 cmhfh

7、fhf 2/sin21220 hfcmhfEe 2)1(2o tgcmhfctg (3).(3).散射光子和反冲电子的角分布散射光子和反冲电子的角分布散射光散射光子能量子能量20min21) (cmhfhfhf 反冲电反冲电子动能子动能hfcmhfEe21)(20max 散射角散射角与反冲与反冲角关系角关系13(3).(3).散射光子和反冲电子的角分布散射光子和反冲电子的角分布 注注: 康普顿效应的散射线，是康普顿效应的散射线，是X线检查中最大线检查中最大的散射线来源的散射线来源,且充满整个检查室空间。必须引且充满整个检查室空间。必须引起工作人员和防护人员的重视起工作人员和防护人员的重视,并采

8、取防护措施并采取防护措施.14hfnZmln2 EEMevhf02. 1效应发效应发生几率生几率. . 电子对效应电子对效应15 A. 相干散射相干散射2、X线与物质作用的其他过程线与物质作用的其他过程 射线与物质相互作用而产生干涉射线与物质相互作用而产生干涉(衍射衍射)的散的散射过程叫相干散射。比如射过程叫相干散射。比如X线对年晶体衍射产线对年晶体衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象生的劳厄斑就是相干散射现象. 相干散射是唯一不产生电离的过程。相干散射是唯一不产生电离的过程。 光子与原子核作用发生核反应的过程。比如光子与原子核作用发生核反应的过程。比如释放中子、质子、释放中子、质子、粒子和粒子和

9、光子等。光核作光子等。光核作用在用在X线诊断过程中不能发生，在放疗中发生线诊断过程中不能发生，在放疗中发生率也很低率也很低。 B. .光核作用光核作用16 A. .X线引发效应总线引发效应总结结3、各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率光核作用光核作用普通散射普通散射17 B. .Z和和hf与三种作用的关系与三种作用的关系3、各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率18 C.C.放射诊断学中放射诊断学中三种作用发生的相对几率三种作用发生的相对几率表表2 2 放射诊断学中作用几率与放射诊断学中作用几率与Z Z和和h hf f的关系的关系X射射线线能量能量(KeV)水水（Z=7.4)骨骨

10、（Z=13.8)碘化钠碘化钠（Z=49.8)光电光电(%)康普顿康普顿(%)光电光电(%)康普顿康普顿(%)光电光电(%)康普顿康普顿(%)207030891194660793316995510019999188123、各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率194. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减 当当X线通过物质时，由于光电效应、康普线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度衰减。即物质所致的衰减。衰减。即物质所致的衰减。射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减随距离衰减随距离衰减物质所致衰减物质所致衰减

11、2221 cAI (W/m2)2114 rPIW 2224 rPIW 212221rrII 20A、单能单能X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律(1)、窄束窄束X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减21光子数表示则满足光子数表示则满足xeII 0 xII 0lnlnlnIlnI0 xxeNN 0 光子数光子数减少但频减少但频率不变！率不变！（=0.2 cm-1)4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减22A、单能单能X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律积累因子积累因子: 某物质元某物质元中中X光

12、子计数率与未光子计数率与未碰撞物质的碰撞物质的X光子计光子计数率之比数率之比 B。(2)、宽束宽束X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律nsnsnnNNNNNNNB 1Ns:物质元散射物质元散射X光子计数率光子计数率B是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量宽束宽束X线的衰减规律线的衰减规律xeBII 0B可以通过台劳级数展开近似计算求得可以通过台劳级数展开近似计算求得xB 14. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减23B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律(1)、连续、连续X线在物质中的衰减规律线在物

13、质中的衰减规律nIIII 21xnxxneIeIeII 00201214. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减24光子数光子数水模厚度水模厚度单能单能X线线连续连续X线线4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律(1) (1) 连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律nIIII 21xnxxneIeIeII 002012125影响因素影响因素26(2)、X线的滤过线的滤过 低能低能X线不能透过人体线不能透过人体(吸收吸收)，对形成，对形成X线线影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照影像不起作用

14、，但却大大增加被检者皮肤照射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分，放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分，使平均能量增高。使平均能量增高。4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律27(2)、X线的滤过线的滤过 a、固有滤过固有滤过 包括包括X线管的玻璃管壁、绝缘线管的玻璃管壁、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板。用油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板。用铝当量表示。铝当量表

15、示。 铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰减效果的铝板厚度表示。一般诊断减效果的铝板厚度表示。一般诊断X光机的光机的固有滤过在固有滤过在0.5 2 mmAl。对软组织摄影则需要低滤过对软组织摄影则需要低滤过X线线,以增加软组织对比度以增加软组织对比度.4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律28 b、附加滤过附加滤过 包括附加滤过包括附加滤过板、遮光器的板、遮光器的滤过等。滤过等。根据衰减厚度根据衰减厚度能量分布不同能量分布不同, ,依具体情况选依具体情况选择管电压和材择管电压和材料形

16、状厚度料形状厚度4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减29滤过板厚度及对照射剂量的影响滤过板厚度及对照射剂量的影响 使用低滤过高千伏摄影使用低滤过高千伏摄影, ,对受检者十分有害对受检者十分有害. .而厚而厚度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义.铝板厚度铝板厚度(mmAl)皮肤照射量皮肤照射量(C/kg)照射量下降百分数照射量下降百分数(%)00.51.03.06.1410-44.78 10-43.28 10-41.20 10-402247804. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在

17、物质中的衰减规律30楔形或楔形或梯形滤梯形滤过板过板4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律31C C、诊断放射学中诊断放射学中X X线的衰减线的衰减(1)、人体的构成元素和组织密度人体的构成元素和组织密度 人体内除少量的钙、磷等中等原子序人体内除少量的钙、磷等中等原子序数物质外，其余全由低原子序数物质组数物质外，其余全由低原子序数物质组成。人体吸收成。人体吸收X线最多的是由线最多的是由Ca3(PO4)2组成的门牙，吸收组成的门牙，吸收X线最少的是充满气线最少的是充满气体的肺。体的肺。4. 4. X ()射线在物质中的衰

18、减射线在物质中的衰减32C C、诊断放射学中诊断放射学中X X线的衰减线的衰减 有效原子序数：在相同照射条件下有效原子序数：在相同照射条件下,1kg复杂物复杂物质与质与1kg单质吸收辐射能相同时单质的原子序数。单质吸收辐射能相同时单质的原子序数。 ai为第为第i种元素在单位体积中电子数的占有比率种元素在单位体积中电子数的占有比率, Zi为第为第i种元素的原子序数。如水中种元素的原子序数。如水中: 氧的电子数比率氧的电子数比率 2.68:3.34，氢的电子数比率，氢的电子数比率0.66:3.34。氧、氢的原。氧、氢的原子序数分别为子序数分别为8和和1，所以，所以 94. 2194. 2 iiZa

19、Z42. 7 4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减33C C、诊断放射学中诊断放射学中X X线的衰减线的衰减 有效原子序数的近似公式为有效原子序数的近似公式为ai为第为第i种元素原子在分子中的原子个数，种元素原子在分子中的原子个数，Zi为第为第i种种元素的原子序数。如水中：氧原子个数为元素的原子序数。如水中：氧原子个数为1 1，氢原子，氢原子个数为个数为2 2，所以占有人体大部分成分的水有效原子序，所以占有人体大部分成分的水有效原子序数为数为3122114422411 nnnnZaZaZaZaZaZaZ43. 7811281123/144 Z4. 4. X ()射线在物质中

20、的衰减射线在物质中的衰减34C C、诊断放射学中诊断放射学中X X线的衰减线的衰减(2)、X线通过人体的衰减规律线通过人体的衰减规律 人体各组织器官人体各组织器官X线的衰减各异，一般按骨线的衰减各异，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大到小排列。骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大到小排列。而随管电压而随管电压(hf)增加衰减减小。增加衰减减小。 341ZAc 以光电效应吸收为主以光电效应吸收为主4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减35C C、诊断放射学中诊断放射学中X X线的衰减线的衰减 以手部拍片为例，说明以手部拍片为例，说明X X线在人体不同组织中线在人体不同组织中的衰减

21、差别及与管电压的关系。用的衰减差别及与管电压的关系。用40kV拍片拍片1.6104012.0104434.222 骨骨肌肉肌肉而用而用150kV拍片拍片1.2101842.0103918.022 骨骨肌肉肌肉 衰减差别大，衰减差别大，形成高对比度形成高对比度4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减(2)、X线通过人体的衰减规律线通过人体的衰减规律36表表5 5 人体不同组织的线衰减系数人体不同组织的线衰减系数(m(m-1-1) )管电压管电压(kV)脂肪脂肪(102)肌肉肌肉(102)骨骼骨骼(102)4050607080901001101201301401500.33930.

22、26530.21960.20090.19050.18320.18010.17740.17550.17420.17320.17240.40120.29330.24550.22130.20760.19940.19420.19060.18820.18640.18520.18422.44341.41790.96770.73420.60470.54080.48650.45300.42980.41320.40100.391837二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 射线即电子流，带有负电，其质量很射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易被其他电子所偏转，小，因此在运行中容易被其他电

23、子所偏转，所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其径迹长度。在径迹长度。在 射线径迹的末端射线径迹的末端,电离密度电离密度最大，这是由于此时电子能量已显著降低，最大，这是由于此时电子能量已显著降低，速度减慢速度减慢, 与靶物质原子作用几率加大与靶物质原子作用几率加大, 单单位距离内形成的离子对增多。位距离内形成的离子对增多。1. 射线与物质的作用射线与物质的作用38二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用在临床上使用直线加速器发生的高能电子在临床上使用直线加速器发生的高能电子流照射组织时，主要的电离作用产生在深流照射组织时，主要的电离作用产生在深部，而部

24、，而 90Sr 放射源放出的放射源放出的 射线则在浅层射线则在浅层（12mm）引起最大电离作用。射程长短引起最大电离作用。射程长短取决于电子能量的大小。取决于电子能量的大小。1. 射线与物质的作用射线与物质的作用39二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 射线即氦核组成的粒子流，由射线即氦核组成的粒子流，由2个质子个质子和和2个中子组成，故带有个中子组成，故带有2个正电荷，质量个正电荷，质量数为数为4，比电子质量大约，比电子质量大约8000倍。倍。 粒子在粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米。故几百微米。故射线由外照射对机体不会产射线

25、由外照射对机体不会产生严重危害。生严重危害。2. 射线与物质的作用射线与物质的作用40二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用但发射但发射粒子的放射性核素进入体内时，由粒子的放射性核素进入体内时，由于其物理特征，其电离密度较大，造成的于其物理特征，其电离密度较大，造成的损伤则更为严重。此外，放射性治疗中用损伤则更为严重。此外，放射性治疗中用快中子或负快中子或负介子介子照射组织时，在组织中将照射组织时，在组织中将产生产生粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。2. 射线与物质的作用射线与物质的作用41二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 中子不带电中子

26、不带电,通过组织时不干扰带电物质通过组织时不干扰带电物质,只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用.但慢中子或热中子但慢中子或热中子 (能量在能量在0.5eV以下以下) 进入进入原子核易被俘获原子核易被俘获,而快中子而快中子(能量大于能量大于20keV)与原子核主要发生弹性碰撞与原子核主要发生弹性碰撞. 在中子与质子在中子与质子(氢核氢核) 的一次碰撞中的一次碰撞中, 中子的部分能量传给中子的部分能量传给质子质子,产生反冲质子产生反冲质子,这种带正电重粒子在组这种带正电重粒子在组织中速度很快下降织中速度很快下降, 引起高密度电离作用。引起高密度电离作用。3. 中

27、子中子与物质的作用与物质的作用42二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核引起高密度的电离。快中散射，其反冲核引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作用可引起子与组织中更重的原子核相互作用可引起非弹性散射产生非弹性散射产生射线。此外射线。此外, 中子与物质中子与物质的原子核作用还会产生核反应的原子核作用还会产生核反应, 在反应过在反应过程中释放带电重粒子、程中释放带电重粒子、 光子或产生放射光子或产生放射性核素。性核素。3. 中子中子与物质的作用与物质的作用43二、二、其他其他射射线与物质的作

28、用线与物质的作用 快中子作用于组织时可产生带电重粒子。快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高能加速器还可将重粒子加速，使此外，高能加速器还可将重粒子加速，使其具有穿透深部组织的能力。例如，质子、其具有穿透深部组织的能力。例如，质子、氦核、负氦核、负介子等可在数厘米深处产生高密介子等可在数厘米深处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用4. 带电重粒子带电重粒子与物质的作用与物质的作用44二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 关于负关于负介子的研究近年来特别受到放射介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的关注治疗领域的关注. 负负介子属于亚原子

29、粒子介子属于亚原子粒子,其质量为电子的其质量为电子的276倍倍,电荷同于电子电荷同于电子, 由同由同步回旋加速器将质子加速到极高能量步回旋加速器将质子加速到极高能量(500 700MeV)而作用于石墨或铅靶时产生而作用于石墨或铅靶时产生.当其当其穿入组织被碳、氧、氢等原子核捕获穿入组织被碳、氧、氢等原子核捕获,释放释放粒子、中子和质子粒子、中子和质子,产生高密度电离作用。产生高密度电离作用。4. 带电重粒子带电重粒子与物质的作用与物质的作用451. 辐射与物质的作辐射与物质的作 用类型及能量损失用类型及能量损失B. .传能线密度与相对生物效应传能线密度与相对生物效应一一. 传能线密度（传能线密度（LETLET）定义定义 带电粒子在组织带电粒子在组织(或其他或其他物质物质)中经过中经过一定距离时由于碰撞而损失一定距离时由于碰撞而损失的能量的能量.(.(J/m)22LE