X线与物质的相互作用

X(或γ)射线与物质相互作用1X线与物质的相互作用第1页原子核外电子因与外界相互作用取得足够能量，摆脱原子查对它束缚，造成原子电离。电离是由含有足够动能带电粒子，如电子、质子、α粒子，与原子中电子碰撞引发。原子核外电子受原子核束缚不一样，带电粒子必须含有大于原子核外壳层电子束缚能量，才能使物质原子电离。2X线与物质的相互作用第2页不带电粒子，如光子、中子等，本身不能使物质电离，但借助它们与原子壳层电子或原子核作用产生次级粒子，如电子、反冲核等，随即在与物质中原子作用，引发原子电离。由带电粒子经过碰撞直接引发物质原子或分子电离称为直接电离，这些带电粒子称为直接电离粒子。不带电粒子经过它们与物质相互作用产生带电粒子引发原子电离，称为间接电离。这些不带电粒子称为间接电离粒子。3X线与物质的相互作用第3页由直接电离粒子或间接电离粒子、或二者混合组成辐射成为电离辐射。另外，有些辐射如红外线、可见光、微波等电磁波以及低能粒子，因为其能量低，不能引发物质原子电离，成为非电离辐射。4X线与物质的相互作用第4页辐射类型Directlyionizingradiation

electronsprotonsα-particlesotherheavychargedparticleIndirectlyionizingradiationunchargedparticlessuchasneutronandphotons5X线与物质的相互作用第5页电离辐射与物质相互作用是X射线成像物理基础和电离辐射剂量学基础。6X线与物质的相互作用第6页带电粒子与物质相互作用主要方式含有一定能量带电粒子入射到靶物质中，与物质原子发生作用，作用主要方式有①与核外电子发生非弹性碰撞；②与原子核发生非弹性碰撞；③与原子核发生弹性碰撞；④与原子核发生核反应。7X线与物质的相互作用第7页8X线与物质的相互作用第8页X线与物质相互作用X线与物质作用都是和原子发生作用。X线在物质中可引发物理、化学和生物各种效应。当X光子进入生物组织后，与体内某个电子相互作用，形成高速电子和散射线。高速电子经过组织时，与原子相互作用，使其电离或激发，产生化学改变和生物损伤；在被吸收能量中，97％转变为热能，3%能量以引发化学改变形式积蓄起来。9X线与物质的相互作用第9页X线与物质相互作用高速电子还能够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原子作用。平均30次左右相互作用，一个入射光子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，最终引发生物效应。10X线与物质的相互作用第10页X线与物质相互作用X线在物质中可能与原子电子、原子核、带电粒子电场以及原子核介子场发生相互作用，作用结果可能发生光子吸收、弹性散射和非弹性散射。吸收时光子能量全部变为其它形式能量；弹性散射仅改变辐射传输方向，非弹性散射改变辐射方向，也部分地吸收光子能量。11X线与物质的相互作用第11页X射线与物质相互作用X射线与物质相互作用主要过程包含：光电效应

(photoelectriceffect)康普顿效应(Comptoneffect)电子对效应(electronicpaireffect）三种主要过程损失能量绝大部分。其它次要过程有相干散射、光核反应等。12X线与物质的相互作用第12页总结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很高光核反应总质量减弱系数13X线与物质的相互作用第13页吸收和散射入射X线直接透过光电吸收电子对效应散射光电子俄歇电子特征放射康普顿散射相干散射散射光子反冲电子正电子、电子湮灭辐射光子14X线与物质的相互作用第14页总结15X线与物质的相互作用第15页总结①在0.01～10MeV范围内，产生光电效应、康普顿效应和电子对效应三个基本过程。在光子能量较低时,除低Z以外全部元素都以光电效应为主。光子能量在0.8～4MeV时，不论Z多大，康普顿效应都占主导地位。大hν处电子对效应占优势。图中曲线表示两种相邻效应恰好相等处Z和hν值。②在20～100keV诊疗X线范围内，光电效应和康普顿效应是主要，相干散射不占主要地位，电子对效应不可能发生。16X线与物质的相互作用第16页总结水、致密骨和NaI对20～100keV光子能量所发生各种作用百分数。17X线与物质的相互作用第17页诊疗放射学中作用几率与有效原子序数和能量关系X线能量keV水（7.4）骨（13.8）碘化钠（49.8）光电（%）康普顿（%）光电（%）康普顿（%）光电（%）康普顿（%）2070308911946607933169955100199991881218X线与物质的相互作用第18页总结用水来说明低Z组织情况，如空气、脂肪和肌肉。致密骨含有大量钙质，代表中等Z物质。相干散射仅占5%左右。水中除低能光子外，康普顿散射是主要。NaIZ高，主要是光电作用。骨介于水和NaI之间，低能时主要是光电作用，较高能量时康普顿散射是主要。19X线与物质的相互作用第19页总结对Z较低软组织，在射线能量很低时光电效应为主；放射摄影中惯用钼靶X线机产生低能X线摄片，是为了增加光电效应几率使照片对比度提升。低能光子对高Z吸收物质，光电效应是主要作用形式，它能使照片产生很好对比度，但会增加被检者X线剂量。康普顿效应是X线在人体内最常发生作用，是X线诊疗中散射线最主要起源。散射线增加了照片灰雾，降低了对比度，但它与光电效应相比使被检者受照剂量较低。20X线与物质的相互作用第20页21X线与物质的相互作用第21页光电效应光电效应概念发生几率光电效应中特征辐射光电子角分布怎样评价诊疗放射学中光电效应22X线与物质的相互作用第22页1.光电效应概念能量为hν光子经过物质时与原子内层电子相互作用，将全部能量交给电子，取得能量电子摆脱原子核束缚成为自由电子(光电子)，光子本身被原子吸收作用过程称为光电效应。23X线与物质的相互作用第23页1.光电效应概念放出光电子原子所处状态是不稳定，其电子空位很快被外层电子跃入填充，随即发出特征X线光子。特征X线在离开原子之前，又将外层电子击脱，称为“俄歇电子”。在人体组织中特征X射线和俄歇电子能量低于0.5keV，这些低能光子和电子很快被周围组织吸收。24X线与物质的相互作用第24页1.光电效应概念光电效应实质是什么呢？物质吸收X射线使其产生电离过程。由能量守恒定律知，发生光电效应时，入射X射线光子能量hν和光电子动能Ee满足关系：式中EB为原子第i层电子结合能，与原子序数和壳层数相关。25X线与物质的相互作用第25页例题：用能量为5eV光子照射某种金属，产生光电子最大初动能为2.3eV，用能量为10eV光子照射该金属，产生光电子最大初动能为多大?26X线与物质的相互作用第26页1.光电效应概念光电效应产生：①负离子(光电子、俄歇电子)；②正离子(丢失电子原子)；③新光子（特征辐射）27X线与物质的相互作用第27页2.发生几率①入射光子必须有克服轨道电子结合能足够能量。碘K电子结合能33.2keV，若光子能量是33keV，就不能击脱该电子，但可击脱M或L层电子。②光子能量≥电子结合能轻易发生光电效应。如一个34keV光子比100keV光子更轻易与碘K层电子发生作用。光子能量愈大光电效应发生几率快速减小。28X线与物质的相互作用第28页2.发生几率③轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈轻易发生光电效应。高Z物质，轨道电子结合能较大，不但K层而且其它壳层上电子也较轻易发生光电效应。低Z物质，只有K电子结合能较大，所以光电效应几乎都发生在K层。29X线与物质的相互作用第29页2.发生几率④由原子内层脱出光电子几率比由外层脱出光电子几率要大得多。若入射光子能量大于K电子结合能，则光电效应发生在K层几率占80％，比L层高出4～5倍。30X线与物质的相互作用第30页2．发生几率若X射线光子经过单位距离吸收物质时，因光电效应而造成衰减称为光电线性衰减系数，用符号“μτ”表示；而光电质量衰减系数，用符号“μτ/ρ”表示。试验和理论都准确地证实光电质量衰减系数与原子序数、光子能量之间关系可表示为：式中n是原子序数函数，对低原子序数材料n近似取4，对高原子序数材料n近似取4.8

31X线与物质的相互作用第31页吸收限32X线与物质的相互作用第32页2．发生几率光电效应概率在光子能量等于K、L、M电子结合能时发生突然跳变，概率最大。光电效应概率尤其大地方称为吸收限。33X线与物质的相互作用第33页3．光电效应中特征辐射X线管中击脱轨道电子是阴极飞来高速电子，光电效应中是X线光子，结果是造成电子空位，产生特征辐射。34X线与物质的相互作用第34页3．光电效应中特征辐射X线光子把碘K电子击脱，造成一个K空位时，普通情况下都是邻近壳层电子跃入填充其空位。L电子跃入填充时产生能量为28.3keV光子辐射(33.2－4.9＝28.3keV)；L空位由M电子跃入填充时放出一个4.3keV能量光子(4.9－0.6＝4.3keV)，一直继续下去，直到33.2keV能量全部转换为光能为止。K空位也可由外来自由电子落入填充，这时将放出一个33.2keV光子，这是碘最大能量特征辐射。35X线与物质的相互作用第35页3．光电效应中特征辐射Ca是人体内Z最高主要元素，它K特征辐射只有4keV，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。人体内其它元素特征辐射能量更小(0.5keV)。人体各组织由X线照射所产生光电效应特征辐射将全被组织吸收。36X线与物质的相互作用第36页4．光电子角分布单位立体角内放出光电子角度分布由下式决定：式中，θ是X射线光子入射方向与光电子出射之夹角；β是光电子速度与光速之比。37X线与物质的相互作用第37页38X线与物质的相互作用第38页4．光电子角分布光电子角分布与光子能量相关，当光子能量很低时，光电子与入射方向成90°角射出几率最大。伴随光子能量增加，光电子分布逐步倾向于前方（入射方向）。39X线与物质的相互作用第39页5．诊疗放射学中光电效应诊疗放射学中光电效应，可从利弊两个方面进行评价。光电效应能产生质量好照片影像，原因：①不产生散射线，降低照片灰雾；②增加人体不一样组织和造影剂对射线吸收差异，产生高对比度X射线照片。有害方面是，入射X射线经过光电效应可全部被人体吸收，增加了受检者剂量。40X线与物质的相互作用第40页5．诊疗放射学中光电效应从被检者接收X射线剂量看光电效应是很有害。被检者从光电效应中接收X线剂量比其它任何作用都多。一个入射光子能量经过光电作用全部被人体吸收，在康普顿散射中被检者只吸收入射光子能量一小部分。从全方面质量管理观点讲，应尽可能降低每次X射线检验剂量。41X线与物质的相互作用第41页5．诊疗放射学中光电效应为此，应设法降低光电效应发生。因为光电效应发生概率与光子能量3次方成反比，利用这个特征在实际工作中采取高千伏摄影技术，从而到达降低剂量目标。不过，在乳腺X射线摄影中，要注意平衡对比度和剂量之间矛盾。42X线与物质的相互作用第42页二、康普顿效应作用过程散射光子及反冲电子散射光子及反冲电子角分布作用几率诊疗放射学中康普顿效应发觉意义43X线与物质的相互作用第43页二、康普顿效应44X线与物质的相互作用第44页1.作用过程当能量为hν光子与原子外层轨道电子相互作用时，光子交给轨道电子部分能量后，其频率发生改变并与入射方向成φ角散射(康普顿散射光子)，取得足够能量轨道电子则脱离原子与光子入射方向成θ角方向射出(康普顿反冲电子)。康普顿发觉，简称康普顿效应或康普顿散射。45X线与物质的相互作用第45页1.作用过程康普顿效应产生：①反冲电子，反冲角度θ②散射光子，散射角度φ，频率ν′46X线与物质的相互作用第46页2．反冲电子及散射光子只有入射光子能量远远超出电子在原子中结合能(约10000倍)时，才轻易发生康普顿效应。实际常忽略轨道电子结合能，把康普顿效应看成是入射光子与自由电子碰撞。象两个球碰撞(入射光子，自由电子)，碰撞时若光子从电子边上擦过，偏转角度很小，反冲电子取得能量也很小，散射光子保留了绝大部分能量；假如碰撞更直接些，光子偏转角度增大，损失能量增多；正向碰撞时，反冲电子取得能量最多，这时被反向折回散射光子仍保留一定能量。47X线与物质的相互作用第47页2．反冲电子及散射光子48X线与物质的相互作用第48页2．反冲电子及散射光子矢量图表示在康普顿散射中和入射光子方向成不一样角度散射光子与反冲电子能量分配特征。hν为入射光子能量，而hν1、hν2……为不一样角度散射光子能量。数字1、2……10标出矢量是在光子散射时生成反冲电子动能。光子可在0～180°整个空间范围内散射，反冲电子飞出角度不超出90°。49X线与物质的相互作用第49页2．反冲电子及散射光子散射光子能量和反冲电子动能T：50X线与物质的相互作用第50页当偏转角为0°时，散射光子能量最大，反冲电子动能为零，这表明，在这种情况下，入射X射线光子从电子旁擦过，它能量没有损失。当偏转角为180°时，散射光子能量最小，对应地反冲电子动能最大。51X线与物质的相互作用第51页2．反冲电子及散射光子散射光子能量随散射角增大而减小，可得出康普顿散射中光子波长改变为：表明对于给定散射角，光子波长改变与入射光子能量无关。52X线与物质的相互作用第52页2．反冲电子及散射光子表2-4各种偏转角度下散射光子能量入射光子能量散射光子能量(keV)(keV)30°60°90°180°25 24.924.424 235049.647.846 427574.3 70 66 58100 98.591 8472150 146 131 1169553X线与物质的相互作用第53页2．反冲电子及散射光子从表中数据看出，在康普顿散射中，散射光子仍保留了大部分能量，传递给反冲电子能量是极少。小角度偏转光子，几乎仍保留其全部能量。这会产生小角度散射线不可防止地要抵达胶片产生灰雾而降低照片质量。原因是散射线能量大，滤过板不能将它滤除；因为它偏转角度小，所以也不能用滤线栅把它从有用线束中去掉。54X线与物质的相互作用第54页例题若一能量为20keV光子与物质发生康普顿散射，则反冲电子取得最大能量是多少？实际上当光子波长改变最大时，转移给电子能量最大。当偏转角为180°时，最大改变波长为55X线与物质的相互作用第55页在180°方向上散射光子波长为

散射光子能量为20keV光子波长为56X线与物质的相互作用第56页这么，反冲电子能量Ek为经过此题深入说明了，当低能光子经历康普顿作用时，入射光子大部分能量被散射光子带走，反冲电子仅取得极少能量。57X线与物质的相互作用第57页3．散射光子和反冲电子角分布康普顿散射光子角分布，强烈地依赖于入射光子能量。对0.1MeV低能光子产生散射光子对称于90°角分布，伴随光子能量增加，散射光子趋于前方。从曲线上一点到作用点距离表示在该方向上散射线强度。假如以X线入射方向为轴旋转一周就成为散射线强度空间分布图。58X线与物质的相互作用第58页3.康普顿散射光子和反冲电子角分布59X线与物质的相互作用第59页3.康普顿散射光子和反冲电子角分布60X线与物质的相互作用第60页4.作用几率试验和理论都能够准确证实康普顿质量衰减系数表示式为式中c2=c1N0是另一个常数。61X线与物质的相互作用第61页4.作用几率若X射线光子经过单位距离吸收物质时，因康普顿效应而造成衰减称为康普顿线性衰减系数，用符号“μσ”表示；而康普顿质量衰减系数，用符号“μσ/ρ”表示。试验和理论都准确地证实康普顿质量衰减系数与入射光子能量之间关系可表示为：62X线与物质的相互作用第62页4.作用几率伴随入射光子能量增加，光电效应发生概率下降，康普顿效应发生概率相对提升，在医学影像上表现是骨骼与软组织对比度下降。63X线与物质的相互作用第63页4.作用几率既然康普顿效应包括是吸收物质中自由电子，那么康普顿效应发生概率与原子序数Z无关，仅与物质每克电子数相关。因为全部物质每克电子数()均十分靠近（氢除外），故全部物质康普顿质量衰减系数几乎相同。64X线与物质的相互作用第64页物质密度(kf/m3)有效原子序数ρe(×1023电子数/g)氢8988×10-515.97碳225063.01氧1.42983.01铝2.699×103132.9铅1.136×104822.38空气1.2937.783.01水1×1037.423.34肌肉1.04×1037.643.31脂肪9.16×1026.463.34骨1.65×10313.83.1965X线与物质的相互作用第65页5.诊疗放射学中康普顿效应康普顿效应中产生散射线是辐射防护中必须引发注意问题。在X射线诊疗中，从受检者身上产生散射线其能量与原射线相差极少，而且散射线比较对称地分布在整个空间，这个事实必须引发医生和技术人员重视，并采取对应防护办法。另外，散射线增加了照片灰雾，降低了影像对比度，但与光电效应相比受检者剂量较低。66X线与物质的相互作用第66页6.发觉意义康普顿效应和光电效应都为光粒子性提供了令人信服证据。然而，康普顿效应比光电效应更前进了一步，因为在解释康普顿效应时不但要考虑能量守恒，还要考虑动量守恒。这个效应既说明了光粒子性，也必须认可光波动性，由此它为光波粒二象性及德布罗意物质波假说提供了更完全证据。康普顿效应宣告于1923年，确证于1926年，1927年即取得诺贝尔物理学奖，说明这一结果影响之大，有些人甚至把康普顿效应看成是物理学转折点之一。

67X线与物质的相互作用第67页三、电子对效应68X线与物质的相互作用第68页69X线与物质的相互作用第69页三、电子对效应概念：在原子核场或原子电子场中，一个入射光子突然消失而转化为一对正、负电子。正电子与电子质量相等，所带电量相等，性质相反。正电子与电子一样，在物质中因为电离或激发逐步耗尽其动能。慢化正电子在停顿前一刹那，很快与物质中自由电子复合，随即向相反方面射出两个能量各为0.511MeV光子，这个现象称为湮灭(annihilation)辐射。70X线与物质的相互作用第70页三、电子对效应原子核场中产生电子对效应时，入射光子能量h≥