X（或γ）射线与物质的相互作用讲解

学习目标1、掌握X(或γ)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2、掌握诊断X射线能量范围内，射线与组织相互作用各种效应发生几率及对影像质量、辐射剂量的影响3、了解X(或γ)射线与物质作用规律在射线诊断、屏蔽防护中的应用X射线与γ射线X射线与γ射线本质都是电磁波，且都属电离辐射γ射线能量比X射线能量更高，具有更强的穿透本领X射线是高速电子与物质相互作用产生的γ射线是从原子核衰变中放射出来的射线与物质相互作用的规律是进行射线探测、防护和应用的基础。X射线与物质的相互作用X线通过物质时，小部分从物质的原子间隙中穿过(穿透作用)大部分被吸收和散射胶片感光、荧光屏发光形成影像电离作用

放射治疗、防护滤除、防护衰减系数μX光子的数量减少方面光子减少的数目物质厚度入射光子数目X线强度减弱方面剩余X线强度入射X线强度物质厚度衰减系数μ和质量衰减系数μm

线衰减系数μ的国际单位为m-1

μ与X线能量成反比、与物质密度/原子序数成正比

考虑到线衰减系数跟其密度成正比，而密度又随材料的物理形态而变化，为了避开这种与物质密度的相关性，通常采用质量衰减系数μm=μ/ρ质量衰减系数表示X射线在穿过单位质量厚度（1kg*m-2）的物质层时，强度衰减的分数值。单位为m2*kg-1能量转移和吸收

从能量转移的角度可以看总的衰减系数：μ=μtr+μsμtr表示电子转移部分μs表示辐射转移部分从能量吸收的角度来表示则：

μen=μtr（1-g）μen表示能量吸收系数光电效应光电效应又称光电吸收，是X线光子能量被原子全部吸收的作用过程，其实质是物质吸收X射线使其产生电离的过程光电效应作用位置：原子内层电子条件：X光子能量大于等于内层电子结合能hυ≥W次级粒子：光电子、俄歇电子、特征X光子、正离子光电效应的发生几率与物质原子序数的4次方成正比与入射光子能量的3次方成反比原子边界限吸收当入射光子能量恰好等于原子轨道电子结合能时，吸收系数突然增加物质原子的边界限吸收特性很有实用价值，可在防护材料的选取、复合防护材料配方及阳性造影剂材料的制备等方面得到应用光电效应中的特征放射K系特征放射：钡37.4keV

碘33.2keV

产生灰雾人体软组织0.5keV

钙4keV

人体吸收光电子的角分布随着入射光子的能量增大，光电子的速度增大，愈来愈多的光电子沿入射光子的方向朝前出射诊断放射学中的光电效应有利面，能产生质量好的照片影像①不产生散射线，减少照片灰雾②增加人体不同组织的X线吸收差别，提高对比度放疗中，增加肿瘤组织的剂量，提高疗效不利面增加了人体的X线吸收剂量，不利于X线防护可用高千伏摄影技术降低X线吸收剂量康普顿效应康普顿效应又称为康普顿散射，是X线光子能量被部分吸收而产生散射的过程康普顿效应作用位置：原子最外层电子条件：X光子能量远大于外层电子结合能hυ>>W次级粒子：反冲电子、散射X光子、正离子康普顿效应的发生几率与物质原子序数Z成正比(只适用于氢元素与其他元素的比较)与入射光子能量成反比当入射光子能量等于或稍大于电子的结合能，光电效应最有可能发生，随着入射光子能量的增加，光电效应很快降低，而康普顿效应下降较慢，此时以康普顿效应为主散射光子的角分布在康普顿散射中，散射光子的能量为反冲电子的动能为当φ等于0°时，cosφ=1，散射光子能量最大（等于hυ），反冲电子能量等于零。当φ角等于180°时，cosφ=-1，散射光子能量达到最小，反冲电子能量达到最大散射光子的角分布入射线能量仅能发生康普顿效应时，散射光子近似对称于90°分布；随着入射光子能量的增大，散射光子的分布趋向前方；随入射光子能量的增大，反冲电子的角分布同样趋向前方。散射光子的角分布hυ1、hυ2……为不同角度散射的光子能量；数字1、2……标出的矢量是在光子散射时生成反冲电子的动能。光子可在0°～180°的整个空间范围内散射，反冲电子飞出的角度不超过90°散射光子的角分布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。散射光子的角分布各种偏转角度下散射光子的能量

入射光子能量散射光子能量(keV)散射光子能量(keV)散射光子能量(keV)散射光子能量(keV)(keV)30°60°90°180°2524.924.424235049.647.846427574.370665810098.591847215014613111695诊断放射学中的康普顿效应从表中数据看出，在康普顿散射中，散射光子仍保留了大部分的能量，传递给反冲电子的能量是很少的。小角度偏转的光子，几乎仍保留其全部能量。这会产生小角度的散射线不可避免地要到达胶片产生灰雾而降低照片的质量X线机曝光产生X线时，散射光子将充满整个检查室，增加防护难度在X线摄影过程中，特别是高千伏摄影时，为减少散射线对图像质量的影响，必须使用滤线栅电子对效应如果入射X线光子能量大于等于1.02MeV，在与物质原子的原子核发生相互作用时，X线光子突然消失，同时转化为一对正、负电子能质转换的典型电子对效应作用位置：原子核条件：X光子能量hυ≥1.02MeV(在诊断X线能量范围内不可能发生)湮灭辐射生成的正、负电子在物质中穿行继续损失自身的能量，慢化的正电子在停止前的一瞬间与物质中的自由电子结合，随即向相反方向射出两个能量各为0.51MeV的光子质能转换的典型电子对效应发生的几率发生几率：与物质的原子序数的平方成正比；与单位体积内的原子个数成正比；与光子能量的对数成正比。相干散射射线与物质相互作用而发生干涉的散射过程，在低能射线范围内以瑞利散射为主瑞利散射：入射光子被原子内壳层电子吸收并激发到外层高能级上，随即又跃迁回原能级，同时放出一个能量与入射光子相同，传播方向发生改变的散射光子实际上是X射线的折射，不产生电离的过程相干散射的发生几率与物质原子序数成正比，并随光子能量的增大而急剧地减少在整个诊断X线能量范围内都有相干散射发生光核作用一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和γ光子的过程条件：光子能量大于该物质发生核反应的阈能(在诊断X线能量范围内不可能发生)可产生中子和放射性核素X线引发效应总结光电效应康普顿效应电子对效应相干散射光核作用作用位置原子内层电子原子最外层电子原子核原子内层电子原子核产生条件hv≥Whv>>Whv≥1.02MeVhv≥核反应的阈能发生几率原子序数的4次方成正比；与入射光子能量的3次方成反比原子序数成正比与入射光子能量成反比原子序数的平方、单位体积内的原子个数、光子能量的对数成正比物质原子序数成正比、光子能量成反比次级粒子光电子、俄歇电子、特征X光子、正离子反冲电子、散射X光子、正离子正、负电子，湮灭辐射光子散射光子放射线核素、中子、质子、γ光子Z和hv与三种基本作用的关系光电效应的优势区间：低能光子、高原子序数物质

康普顿效应的优势区间：0.8~4MeV光子

电子对效应的优势区间：高能光子在20~100keV诊断X能量范围内，只有光电效应和康普顿效应，电子对效应不可能发生诊断放射中各种基本作用发生的几率低管电压、高原子序数(阳性造影剂)以光电效应为主高管电压、低原子序数以康普顿效应为主掌握不同能量的X射线对不同的原子序数的物质作用类型和几率，对提高影像质量，降低受照剂量和优选屏蔽防护材料都有重要意义射线在医学中的应用基