x线与物质相互作用

第二章放射物理基础X线与物质相互作用2023/2/41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）

2023/2/42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2023/2/43在各种可能的相互作用中：光电效应（photoelectriceffect）康普顿-吴有训效应（Comptoneffect）电子对效应（electronicpaireffect）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2023/2/44一、X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μ来表示衰减的强弱：2023/2/45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，τ为光电效应衰减系数，σ为康普顿效应衰减系数，κ为电子对效应衰减系数。2023/2/46通常会采用质量衰减系数μm来表达物质对射线衰减的强弱：

式中，τm为光电效应质量衰减系数，σm为康普顿效应质量衰减系数，κm为电子对效应质量衰减系数。2023/2/47二、光电效应2023/2/48与光电效应有关的诺贝尔物理学奖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。2023/2/49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）2023/2/410光电效应中产生：负离子（光电子、俄歇电子）正离子特征辐射

2023/2/411光电效应的发生几率（对X线衰减系数）：入射光子能量〉轨道结合能入射光子能量不能过高几率正比于1/(hν)3原子序数越高几率越大，几率正比于Z42023/2/412原子边界限吸收τm（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，τm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。2023/2/4132023/2/414对照片质量的影响不产生散射线增强天然对比度2023/2/415对被检者的影响：增加了辐射剂量应对方法：增大管电压（高千伏摄影）2023/2/416三、康普顿-吴有训效应效应/散射2023/2/417实验和理论证明康普顿质量衰减系数σm：几率正比于1/(hν)原子序数越高几率越大，几率正比于Z2023/2/418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。2023/2/419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）2023/2/420产生散射对照片质量的影响

散射线2023/2/421四、电子对效应2023/2/422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光子称为湮灭辐射—爱恩斯坦的质量能量互换原理2023/2/4232023/2/4242023/2/425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。2023/2/42642023/2/4272023/2/4282023/2/4292023/2/430在20～100keV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2023/2/431物质：相互作用所致原子序数、密度、穿透厚度应用：成像，滤过2023/2/432一、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）：

μ：线性衰减系数/线性吸收系数，μm：质量衰减系数，lm质量厚度2023/2/433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2023/2/434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2023/2/435二、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=Ns＋Nn。2023/2/436三、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2023/2/437衰减情况如图2023/2/438X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ρ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。2023/2/439X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、氧等组成，但分布非常稀疏，密度很小，所以透过性能最好。2023/2/440X线