X线与物质的相互作用
X射线与物质相互作用
x射线的性质
穿透性
波长
x射线具有强穿透性，能够穿透一定厚 度的物质。
x射线波长较短，可用于高精度检测和 成像。
能量
x射线具有特定能量，可用于物质成分 分析。
x射线的应用
医学诊断
x射线用于医学影像诊断，如拍片、CT等。
工业检测
x射线用于工业无损检测，如焊接、铸件等。
安全检查
x射线用于机场、海关等安全检查，检测违禁品。
02
03
操作人员培训
采用铅板、铅玻璃等材料对X射 线设备进行屏蔽，减少辐射泄漏。
对操作人员进行专业培训，确保 他们了解安全标准和操作规范， 避免误操作。
操作规范与注意事项
操作前准备
确保X射线设备正常工作，检 查电源、电缆、控制台等是 否完好。
操作过程
按照操作规程进行操作，避 免长时间暴露于X射线辐射下 。
晶体取向
X射线衍射可以用来确定晶体在样品中的取向，有 助于了解晶体生长和排列的规律。
微观结构
结合显微镜技术，X射线可以用来观察样品 的微观结构，如晶粒大小、相分布等，有助 于了解材料的性能和行为。
05
安全与防护
x射线的生物效应
细胞损伤
01
高强度X射线可导致细胞结构损伤，引发DNA断裂和细胞死亡。
这一过程对物质的密度、原子序数和光子能量都有一定影响。
03
x射线衍射
晶体结构与x射线衍射
晶体结构对x射线衍射的影响
晶体结构中的原子或分子的规则排列会对x射线产生衍射现象，通过分析衍射图 谱可以推断晶体的结构特征。
x射线衍射的原理
当x射线通过晶体时，会受到晶体中原子或分子的散射，散射波在某些方向上相 互加强，形成衍射波，通过测量衍射波的方向可以推导出晶体的结构信息。
X线的性质与物质相互作用
人体对X线的衰减程度差异一般按
骨骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大 变小。
谢谢！
葡萄酒与美容
葡萄酒，属于碱性的含酒精饮料，含有丰富的 镁、钙、钾、铁等矿物质，还富含维生素。 更值得注意的是，葡萄的果皮或种子含有 单宁酸、黄酮类化合物特聚酚类物质，可 以防止造成老化或癌症，预防老年痴呆症、 高血压、感冒及加强免疫力。
白藜芦醇主要存在于葡萄皮内，由于红葡萄酒是带皮发酵，而白葡萄酒则是去皮 发酵。所以其特殊的酿造工艺决定了红葡萄酒中的白藜芦醇含量要远远高于白葡 萄酒及加强型葡萄酒，而又大量的病理学研究资料证明，白藜芦醇具有抗氧化， 抗菌，抗癌，抗诱变作用，还可以预防乳腺癌，干红葡萄酒中还含有大量具有还 原性基团的多酚类物质，具有抗氧化的作用，能防治退行性疾病，如老化，白内 障，免疫障碍和某些癌症。
1、射线性质对衰减的影响：射线能 量越高，衰减越少。 2、物质原子序数对衰减的影响：原 子序数越高，吸收x线愈多。 3、物质密度对衰减的影响：X线的衰 减与物质密度成正比关系。人体除骨 骼外，其他组织的有效原子相差甚微， 但由于密度不同，便形成衰减的差别， 而产生了x线影像。 4、每克电子数对衰减的影响：射线 的衰减与一定厚度内的电子数有关， 显然电子数多的物质更容易衰减X线。 · 人体对X线的衰减
X线的吸收与衰减
• X线的衰减
• 影响衰减的因素
1、距离衰减：距离的衰减遵循射线 强度衰减的平方反比法则。距离增加 一倍，射线强度将衰减为原来的1/4。 2、物质吸收衰减：射线通过物质时， 由于射线光子与物质的作用，致使入 射方向上的射线强度衰减。X线强度 在物质中的衰减规律是X线透视、摄 影、造影及各种特殊检查、CT和放疗 的基本依据。 3、连续X线在物质中的衰减特点：强 度变小、硬度变高、能谱变窄。实际 应用中可以改变X线管窗口滤过厚度 来调节X线束的线质。 4、衰减系数、能量转移系数、能量 吸收系数概念。
X线与物质的相互作用
Ver.1.0 BY FENG DAYU i Ｘ线与物质的相互作用 X 射线通过物质时，小部分从物质原子的间隙中穿过，大部分被吸收和散射，从而产生各种物理的、化学的及生物的效应．这些效应的产生都是物质吸收X 射线能的结果．物质对X 射线的吸收不是简单的能量转移，而是一个很复杂的过程． X 射线是一种不带电电离辐射，它通过物质时只引起少量的初级电离，而绝大部分电离都是由初级电离产生的带电粒子引起的次级电离． 电离和激发是辐射能传递给物质的主要过程，所谓X 射线的生物效应其实主要是它们的次级电子所产生的生物效应． 下图画出光子能量在生物组织中转移、吸收乃至最终引起生物效应的大概过程． 一．X射线与物质相互作用的主要过程 ① 光电效应： 又称光电吸收，它是X射线光子被原子全部吸收的作用过程． ② 康普顿效应： 又称康普顿散射，它是X射线光子能量被部分吸收而产生散射线的过程． ③ 电子对效应： 一个具有足够能量的光子，在与靶原子核发生相互作用时，光子突然消失，同时将它的能量转化为正、负两个电子，这个作用过程称为电子对效应． ④ 相干散射： 又称瑞利散射．(X线的折射) ⑤ 光核作用： 是光子与原子核作用而发生的核反应． 二．X射线在物质中的衰减 X射线在其传播过程中强度的衰减，包括距离和物质所致衰减两个方面．在以点源为球心，半径不同的各球面上的射线强度，与距离的平方成反比，这一规律称为射线强度衰减的平方反比法则． １． 单能窄束X射线在物质中的衰减规律 研究表明， 单能窄束X射线通过均匀物质层时，其强度的衰减符合指数规律．即： I = I0 e-μx：如射强度，Ｉ：探测强度，ｘ：物质厚度，μ： 衰减系数． Ｉ０iiVer.1.0 BY FENG DAYUVer.1.0 BY FENG DAYU iii ２． 连续X 射线在物质中的衰减规律 一般情况下，X 线束是由能量连续分布的光子组成的，各能量成份衰减的情况并不一样，并不遵守单一的指数衰减规律，要比单能X 线束更复杂． ３． 影响X 线衰减的因素 ① 射线性质对衰减的影响 ② 物质原子序数对衰减的影响 ③ 物质密度对衰减的影响 ④ 每克电子数对衰减的影响 三．X 线的滤过 １． 固有滤过 X 线管组装体本身的滤过称为固有滤过．它包括X 线管的管壁（出射窗口）、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板． 固有滤过一般都用铝当量表示． ２． 附加滤过 附加滤过包括用工具可拆卸的附加滤过板、可选择的附加滤过板、遮光器、床面板等． ① 滤过板材料的选择 ② 滤过板的厚度 ③ 滤过板厚度对受照剂量的影响 ④ 滤过与投照时间 ⑤ 契型或梯型滤过板 ３．TOSHIBA X线设备中X线管球加上遮光器的滤过应大于等于2.5mmAl．如不足应在X线管球输出窗口处加贴滤过板． 四．诊断放射学中Ｘ线的衰减 X线束射入人体内，一部分被吸收散射，另一部分通过人体沿原方向传播，透过的X线光子按特定形式分布，便形成了X线影像． 透过的光子与衰减的光子具有同等的重要性．X线影像是人体的不同组织对射线不同衰减的结果． 人体骨骼由胶体蛋白和钙质组成，其中钙质占50%-60%； 软组织内水占75%，蛋白质、质肪及碳水化合物占23%，其余2%是K、Na、Cl、Fe等元素． 人体内除少量的钙、磷等中等原子序数的物质外，其余全由低原子序数物质组成．人体吸收X射线最多的是由Ca(PO4)2组成的门牙，吸3收Ｘ射线最少的是充满气体的肺． 人体各组织器官的密度、有效原子序数和厚度不同，对X射线的衰减程度各异，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大变小． X射线在人体内，主要通过光电效应和康普顿效应两种作用形式被衰减． ivVer.1.0 BY FENG DAYU下图是不同能量的X射线在肌肉和骨骼中分别发生两种效应的比例． vVer.1.0 BY FENG DAYU。
X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用X射线是一种高能电磁波，具有较短的波长和较高的频率。
当X射线入射到物质上时，它与物质中的原子相互作用，主要有光电效应、康普顿散射和正电子湮灭三种。
首先，光电效应是指当X射线入射到物质中的原子内层电子上时，电子被光子击中后被激发或抛射出原子。
这个过程遵循能量守恒定律，即入射X射线的能量等于光电子的能量加上剩余能量。
光电效应的主要特点是能量转移效率高，但是能量分辨率较差，不适用于微细结构的研究。
其次，康普顿散射是X射线与物质中的自由电子碰撞后散射出去，同时X射线的波长发生了变化。
这个过程遵循动量守恒和能量守恒定律。
康普顿散射在医学诊断中得到了广泛应用，因为它具有良好的能量分辨率和较高的对比度。
最后，正电子湮灭是指当X射线入射到物质中时，一部分入射X射线与物质中的原子碰撞，产生正电子和负电子。
正电子与负电子相遇后发生湮灭，产生两个γ光子。
正电子湮灭谱是通过测量X射线与物质的相互作用，得到信息的有效方法。
除此之外，X射线还会与物质产生其他的相互作用，如光子发射、光子吸收、光子和原子核相互作用等。
这些相互作用过程是多种多样的，可以通过测量入射和散射X射线的强度、能量变化以及角分布来研究物质的结构、成分等信息。
在医学方面，X射线的应用非常广泛。
例如，X射线透视可以用于骨骼和丰富因子的成像，可以用于检查骨折、肺部感染、心脏病等疾病。
另外，计算机断层扫描（CT）是一种通过多个方向的X射线扫描来获取物体横截面图像的技术，可以用于检测和诊断肿瘤、脑血栓等疾病。
在工业领域，X射线也得到了广泛的应用。
例如，X射线非破坏性检测可以用于检测金属和非金属材料的缺陷，如焊缝、裂纹等。
此外，X射线衍射可以用于材料的结晶结构分析，用于研究材料的晶体结构和晶体缺陷。
总之，X射线与物质的相互作用是一种重要的物理现象，具有广泛的应用领域。
通过研究X射线与物质的相互作用机制，可以获得物质的结构、成分等信息，为医学诊断、工业检测等领域提供技术支持。
第四章 第二节 X线与物质的相互作用
X线在物质中可能与原子的电子、原子核、 带电粒子的电场以及原子核的介子场发 生相互作用，作用的结果可能发生光子 的吸收、弹性散射和非弹性散射。 吸收时光子的能量全部变为其他形式的 能量； 弹性散射仅改变辐射的传播方向， 非弹性散射改变辐射的方向，也部分地 吸收光子的能量。
第二节
X线与物质的相互作用
第二节ຫໍສະໝຸດ X线与物质的相互作用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。
第二节
X线与物质的相互作用
三、电子对效应
电子对效应中，入射光子的能量一部分转化 为正、负电子的动能，其份额为(1－ 2mc2/hν )，另一部分转化为正、负电子的 静止能，为2mc2/hν 。 发生几率与Z2成正比，近似地与光子能量的 对数成正比。 虽然正、负电子在耗尽其动能之前也会发生 湮灭辐射，但发生的几率很小。
h
光子能量加倍，光电效应的发生几率减少到原来的1/8。
2．发生几率
③轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈容易 发生光电效应。 高Z物质，轨道电子的结合能较大，不仅K层而 且其它壳层上的电子也较容易发生光电效应。 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。 由原子的内层脱出光电子的几率比由外层脱出 光电子的几率要大得多。若入射光的能量大于 K电子结合能，则光电效应发生在K层的几率占 80％，比L层高出4～5倍。 光电效应几率∝Z4
3．光电效应中的特征辐射
X线管中击脱 轨道电子的 是阴极飞来 的高速电子， 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。
X射线与物质相互作用
33
(b)
(a) C对Cu K的散射
34
Be对Cu K的散射
4.光电吸收及其二次效应
1)光电效应的实验规律
X射线波长为λ：对某一元素Z，当λ下降，达到 q 时
，产生光电吸收。
q 最大
λ下降
E q 减少
光电子数（光电流）∝入射X射线强度
发射机制：原子内电子能级跃迁
方向：各向同性
波长：由原子能级确定，与特征谱波长相同。
强度： If I0qf
I 0 入射X射线强度， 物质对X射线的吸收系数， qf 为q 系荧光产额。
qfNqf/Nq N q N qf
q能级受原级X射线激发的原子数 发生q级次级光辐射的原子数
39
荧光产额由物质的原子能级决定。随着原子序数Z
48
实际工作中，常用另外二种表达形式，
dIImdm
II0 e m mI0 e m x
m 称为质量吸收系数，它描述了（单位面积上）单位
质量介质时的吸收。
dm dx，mx
， m
x
它与物质的密度无关 只与元素（Z）和波长有关。
， dIIadN II0e aNI0e anx ， dN nd，xNnx n为单位体积内的原子数目。 a x/n
与实验规律完全一致。
37
3)光电子吸收的二次效应：荧光与俄歇电子 光电吸收——光电子发射，原子处于激发态（内壳
层，例K层，出现空位） 原子退激发过程——二次效应：荧光与俄歇电子
Auger
38
⑴ 荧光：由光子激发的光辐射称为荧光辐射，因而荧 光谱也称为次级光谱。
荧光辐射的本质及其产生的机制，与原级（由高速电 子来激发）特征光谱是完全一样的：
成像理论第二章02
• 当X光子进入生物组织后，与电子相互作用，形 成高速电子和散射线。 • 高速电子在通过组织时，与沿途原子相互作用， 使其电离或激发，所以这些都产生化学变化和 生物损伤。 • 有些高速电子还可以发生辐射性碰撞而产生轫 致辐射，这些轫致辐射与散射线又像原射线一 样继续与物质的原子作用，重复上述过程。 • 通常一个入射X线光子的全部能量都转移给电子， 平均需30次左右的相互作用
• 原子序数、光子能量与三种基本作用的 关系 • 在0.01～10MeV这个常见范围，几乎所 有效应都是由光电效应、康普顿效应、 电子对效应这三个基本过程产生
四、其他作用
• 1、相干散射 • 射线与物质相互作用而发生干涉的散射过程称 为相干散射。 • 否则就是非相干散射，康普顿效应是非相干散 射 • 相干散射：瑞利散射、核的弹性散射、德布罗 克散射 • 当入射光子在低能范围0.5～200keV时，瑞利 散射概率不可忽视，因此相干散射主要是指瑞 利散射
二、康普顿效应
• 1、康普顿效应又称康普顿散射，是射线光子能 量被部分吸收而产生散射线的过程。
• 具有能量为hv的入射光子与原子的轨道电子相 互作用时，光子交给轨道电子一部分能量后， 其频率发生改变并与入射方向成φ角射出（散射 光子），获得足够能量的轨道电子则脱离原子 束缚与光子入射方向成θ的方向射出（反冲电 子），这个作用过程成为康普顿效应
光电效应示意图
爱因斯坦光电方程
放出光电子的原子变为 正离子，原子处于不稳 定的激发态，其电子空 位很快被外层电子跃入 填充，同时放出特征X 线光子。有时特征X线 在离开原子前，又将外 层电子击脱，该电子称 俄歇电子
E hv EB
• 光电效应实质：物质吸收X线使其产生电离过程 • 此过程中产生次级粒子：（1）负离子（光电子、 俄歇电子）（2）正离子（失去电子的原子） （3）特征辐射 • 2、光电效应发生概率——三方面因素限制 • （1）物质原子序数Z的影响——光电效应的概 4 率与Z的四次方成正比： 光电效应概率 Z
【放射技师考试】第三章第二节X线的本质及其与物质的相互作用
第三章第二节 X线的本质及其与物质的相互作用1、X线属于电离辐射，其波长介于紫外线和γ射线之间，波长很短，约在10-3～10nm之间。
2、X线与可见光一样，具有衍射、偏振、反射、折射等现象，说明X线具有波动性。
它是一种横波，传播速度在真空中与光速相同。
3、X线在传播时，突出地表现了它的波动性，并有干涉、衍射等现象；X线与物质相互作用时，则突出表现了它的粒子特征，具有能量、质量和动量。
X线具有波粒二象性。
4、X线光子只有运动质量，没有静止质量。
5、X线在真空中，是直线传播的不可见电磁波。
6、X线不带电，它不受外界磁场或电场的影响。
7、X线的物理特性：穿透性、荧光作用、电离作用、热作用。
8、X线能量高则穿透力强。
9、X线的电离作用主要是它的次级电子的电离作用。
10、测定X线吸收剂量的量热法就是依据热作用研究出来的。
11、X线的化学特性：感光作用、着色作用（脱水作用）。
12、生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量X线照射后，可发生抑制、损伤甚至坏死。
13、X线的生物效应是放射治疗的基础。
14、X线光子与构成原子的内壳层轨道电子碰撞时，将其全部能量都传递给原子的壳层电子，原子中获得能量的电子摆脱原子核的束缚，成为自由电子（光电子），而X线光子则被物质的原子吸收，这种现象称为光电效应。
失去电子的原子变成正离子，处于激发态不稳定，外层电子填充空位，放出特征X线，特征X线离开原子前，又击出外层轨道电子，使之成为俄歇电子，这个现象称为俄歇效应。
15、光电效应的产物有：光电子、正离子、特征放射和俄歇电子。
16、入射光子的能量与轨道电子结合能必须“接近相等”（稍大于）才容易产生光电效应。
光子能量过大，反而会使光电效应的概率下降。
17、光电效应发生概率大约和能量的三次方成反比。
18、光电效应发生概率和原子序数的四次方成正比（这里其实是错的，应该是三次方，但是我们职称考试还是以这个错误为准），它说明摄影中的三个实际问题：（1）不同密度的物质能产生明显的对比影像；（2）密度的变化可明显地影响到摄影条件；（3）要根据不同密度的物质选择适当的射线能量。
x线与物质相互作用解析
4 27
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2020/3/1029源自在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。
2020/3/10
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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
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• 物质：相互作用所致 • 原子序数、密度、穿透厚度
• 应用：成像，滤过
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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）：
I
I 0 e l
I emlm 0
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
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• 诊断X线频段，X线能量较低，光电效应 起主导作用，故而：
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。
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• 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：
m
m
m
m
m
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。
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• 对照片质量的影响
不产生散射线
增强天然对比度
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• 对被检者的影响： 增加了辐射剂量
X射线与物质相互作用
第三节 X 射线与物质相互作用我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透 射光电效应等一、X 射线的散射X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使 X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X 射线的散射现象可分为相干散射和非 相干散射。
1、相干散射及散射强度当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被 迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射 X 射线波长相同的散 射X 射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位 相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为 m 的电子，在与入射线呈29角度方向 上距离为R处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为：2(1 cos 2v2它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射 称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X射线衍射技术的基础。
2、非相干散射 当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性 碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿 散射l e =| 0 4 e 2~2 4 R m C 因子l e =l 0 7.9 10 ^6 R 2(1 cos 2 2^ 2这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底， 给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、 X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是 X 射线射线光子数的减少，而不是 X 射线能量的减少。
所以，透射 X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是 X 射线与原子的相互作用，其基本原理 是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的 X 射线易穿过 物质，长波长X 射线易被物质吸收。
X射线与物质相互作用
第三节X射线与物质相互作用我们前面讲过当X射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等一、X射线的散射X射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。
1、相干散射及散射强度当X射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为m的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R处的某点，对一束非偏振X射线的散射波强度为：I e =I0)22cos1(24224θ+CmRe它表示一个电子散射X射线的强度，式中fe=e2/mC2称为电子散射因子。
22cos12θ+称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的I e =I0)22cos1(109.72226θ+⨯-R从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。
2、非相干散射当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。
所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。
第二章X射线与物质的相互作用演示文稿
第二章X射线与物质的相互作用演示文稿第二章：X射线与物质的相互作用尊敬的老师们，亲爱的同学们：大家好！今天我将给大家介绍X射线与物质的相互作用这一重要的物理现象。
X射线是一种电磁波，它可以穿透许多物质，并且在与物质相互作用时产生一系列的效应。
本次演示文稿将围绕这些效应展开，以增加大家对X射线与物质相互作用的了解。
第一，X射线的穿透能力。
首先，让我们来看一下X射线的穿透能力。
请看屏幕上的图像，我们可以看到一张人的胸部X射线片。
X射线通过人的胸部，照出了人体内部的骨骼和其他组织。
这表明X射线具有很强的穿透能力，可以透过人体的软组织，照出骨骼的影像。
这是因为X射线在穿过物质时，会与物质中的电子相互作用，并且被散射。
但是，物质中的电子数量较少，而且散射角度较小，因此大部分的X射线可以穿透物质。
第二，X射线的吸收作用。
接下来，我们来看一下X射线的吸收作用。
当X射线穿过物质时，会与物质中的原子相互作用，并且被吸收。
这是因为X射线与物质的原子发生作用时，会将一部分能量转移给原子的电子，使其跃迁到更高的能级。
当电子回到低能级时，会释放出能量，即X射线的吸收。
为了更好地描述X射线的吸收作用，我将进行一个实验。
请看台上的设备，它由一个X射线源、一个材料样品和一个探测器组成。
当X射线通过材料样品时，我们可以看到探测器上的能量信号会减小，这说明X射线被材料样品吸收了一部分。
第三，X射线的散射作用。
我们继续讨论X射线的散射作用。
当X射线穿过物质时，会与物质中的原子发生散射作用。
这是因为X射线与原子的电子云相互作用，使得电子从一个能级跃迁到另一个能级，并且再次回到原来的能级。
在这个过程中，X射线被散射。
聚焦在屏幕上的X射线散射图像就是这种效应的结果。
接下来，我将进行一个展示来演示X射线的散射作用。
请注意屏幕上的图像。
我们可以看到，当X射线照射到金属样品上时，出现了很强的散射。
而当X射线照射到非金属样品时，散射效果则较弱。
这是因为金属中的电子较多，散射效应较强。
X线与物质的相互作用教学稿件
X线在不均匀介质中可能发生散射现象，导致强度降低和图像失真。
散射
X线在不均匀介质中的传播
X线在物质中传播时，能量会被吸收而逐渐衰减。
X线在物质中传播时，部分能量会被散射而损失，导致强度降低。
X线在物质中的衰减
散射衰减
吸收衰减
04
CHAPTER
X线成像原理
穿透作用
荧光作用
感光作用
生物效应
X线成像的基本原理
使用铅围裙、铅眼镜等防护用品，减少辐射对敏感部位的照射。
防护原则
遵循“合理降低剂量、减少不必要的暴露”的原则，采取有效的防护措施。
减少曝光时间和次数
尽量缩短X线检查的时间和次数，避免重复检查。
X线的防护措施
06
CHAPTER
实验与实践环节
掌握X线与物质相互作用的基本原理。
学会利用实验观察和分析X线与物质相互作用的现象。
普通X线成像
利用计算机技术和数字化技术，将X线影像转化为数字信号，进行数字化处理和显示。
数字X线成像
利用多角度X线扫描和计算机重建技术，生成三维图像。
CT成像
利用磁场和射频脉冲，使人体组织中的氢原子发生共振，通过计算机重建图像。
MRI成像
X线成像的种类
X线成像的质量因素
X线影像中不同组织之间的密度差异，影响影像的清晰度和辨识度。
培养学生对实验数据的处理和归纳能力。
实验目的与要求
观察X线在空气中的传播
实验一
观察X线在物质中的穿透和吸收
实验二
观察X线在物质中的散射和衍射
实验三
利用计算机模拟X线与物质的相互作用
实验四
实验内容与方法
X线在空气中的传播路径和衰减规律
X线与物质的相互作用
X线与物质的相互作用X线是一种高能电磁辐射，具有很强的穿透力和能量。
当X线与物质相互作用时，会发生一系列的物理过程，包括散射、吸收和荧光等。
这些相互作用的方式和过程对于X线的应用和对物质的分析具有重要意义。
首先，X线经过物质时会发生散射现象。
散射是指X线的方向发生改变，但其频率不变。
散射分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指X线与物质相互作用后，X线的能量和频率保持不变，而方向变化。
非弹性散射则是指X线的能量和频率发生改变。
散射现象可以用来研究物质的结构和组成，例如通过测量散射角度可以得到物质的晶体结构信息，通过散射谱可以分析物质的元素含量。
其次，X线在物质中会被吸收。
吸收是指X线的能量被物质吸收，并转化为其他形式的能量。
物质对X线的吸收程度取决于其密度和原子序数。
高密度和高原子序数的物质对X线的吸收更强。
利用物质对X线的不同吸收特性，可以进行X射线吸收测定，即通过测量透射X线的强度变化来确定物质的含量或浓度。
此外，物质还会产生X射线荧光。
当X线照射到物质上时，物质中的原子会受到激发，从能级较高的态转移到能级较低的态。
在这个过程中，物质会发射出一定能量的X射线。
这种现象被称为X射线荧光。
利用X射线荧光分析技术可以进行非破坏性的物质分析，例如矿石中的金属元素含量的测定等。
此外，X线还能通过共振现象与物质发生相互作用。
共振是指当X线的能量和物质的激发能级之间存在相等关系时，X线与物质之间会发生共振吸收。
这种共振吸收现象可以用来研究物质的电子结构和原子核结构。
通过测量共振吸收谱，可以获得物质的电子能级和原子核能级的信息。
综上所述，X线与物质的相互作用包括散射、吸收、荧光和共振等现象。
这些相互作用的方式和过程提供了丰富的物理信息，可以用来研究物质的结构、组成、含量等。
X射线技术在材料科学、地球科学、生物医学等领域有广泛的应用，为科学研究和工业生产提供了重要的手段和方法。
【上岗证】X线与物质的相互作用
【上岗证】X线与物质的相互作用X线与物质的相互作用形式有：相干散射、光电效应、康普顿效应、电子对效应、光核反应等。
诊断用X线能量范围，主要涉及光电效应和康普顿效应.相干散射：在X线诊断能量范围内，相干散射产生的概率只占5%。
光电效应：X线与物质相互作用时，X线光子能量(h)全部给予了物质原子的壳层电子，获得能量的原子摆脱了原子核的束缚成为自由电子(即光电子)。
而X线光子本身则被物质的原子吸收，这一过程称为光电效应。
可产生特性放射、光电子(也叫负离子)和正离子(即缺少电子的原子)。
(1)光电效应产生的条件:①光子能量与电子结合能，必须“接近相等”才容易产生光电效应。
就是说，光子的能量要稍大于电子的结合能或等于电子的结合能。
光电效应大约和能量的3次方成正比。
②轨道电子结合得越紧越容易产生光电效应。
光电效应的概率，随原子序数的增高而很快增加。
其发生概率和原子序数的3次方成正比。
光电效应≈(原子序数)*3。
(2)光电效应在X线摄影中的实际意义：①光电效应不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾。
②光电效应可增加射线对比度。
光电效应的概率和原子序数的3次方成正比。
光电效应中，因光子的能量全部被吸收，这使被检者接受的照射量比任何其他作用都多。
康普顿效应：也称散射效应或康普顿散射。
电子对效应与光核反应：在诊断X线能量范围内不会产生。
相互作用效应产生的概率：在诊断X线能量范围内，相干散射占5%，光电效应占70%，康普顿效应占25%。
(1)对低能量射线和高原子序数的物质，光电效应是主要的，它不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾，因而可产生高对比度的X线影像，但会增加被检者的X线接收剂量。
(2)散射效应与光电效应相比可减少被检者的照射量。
(3)对比剂的原子序数高，以光电效应为主；骨的作用形式，在低能量时主要是光电作用，而在高能量时则变为散射作用是主要的。
1.关于光电效应发生概率的叙述，正确的是A.发生概率与原子序数的一次方成反比B.发生概率与原子序数的二次方成反比C.发生概率与原子序数三次正比D.发生概率与原子序数的四次方成反比E发生概率与原子序数的五次方成反比答案：C2.关于X线与物质的相互作用形式，不正确的是A.相干散射B.光电效应C.康普顿效应D.电子对效应E.生物效应答案：E3.诊断用X线能量范围主要涉及A.光电效应和康普顿效应B.相干散射和康普顿效应C.电子对效应和光电效应D.光核反应和光电效应E.相干散射和光电效应答案：A4.与光电效应无关的是A.特征放射B.光电子C.正离子D.带电粒子E.负离子答案：D5.在诊断X线能量范围内，相干散射、光电效应，康普顿效应所占的比例分别是A.5%、25%、70%B.5%、70%、25%C.50%、75%、25%D.30%、90%、35%E.75%、25%、5%答案：B6又被称为“散射效应”的是A.相干散射B.光电效应C.康普顿效应D.电子对效应E.光核反应答案：C7.X线摄影中，使胶片产生灰雾的主要原因是A.相干散射B.光电效应C.光核反应D.电子对效应E.康普顿效应答案：E8.关于光电效应的叙述，错误的是A.光子能量过大，光电作用概率下降B.发生概率与原子序数的三次方成反比C.光电效应可增加X线对比度D.使被检者接受的照射量比其他作用多E.光子的能量全部被吸收答案：B9.下列有关光电效应的叙述，错误的是A.诊断用X线与铅的相互作用形式，主要是光电效应B.光电效应的结果是，入射光子能量的一部分以散射光子释放C.光电效应可产生特征放射、光电子和正离子D.光电效应中，X线光子能量全部给予了物质原子的壳层电子E.光电效应以光子击脱原子的内层轨道电子而发生答案：B10.X线与物质的作用中、不产生电离的过程是A.相干散射B.光电效应C.康普顿效应D.电子对效应E.光核反应答案：A11.关于X线与物质相互作用概率的解释，错误的是A.X线诊断能量范围内，光电效应占30%B.对低能量射线和高原子序数物质互作用时，光电效应为主C.X线摄影中的散射线，几乎都是康普顿效应产生的D.康普顿效应与光电效应的相互比率，常随能量而变化E.脂肪、肌肉，除了在很低的光子能量(20-30keV)之外，康普顿散射作用是主要的答案：A12.关于X线康普顿效应的叙述，错误的是A.也称散射线效应B.与物质的原子序数无关C.与电子数成反比D.产生的散射线使影像产生灰雾E.产生的散射线给防护带来困难答案：B13、X线摄影时，散射线主要来源于A、相干散射B、光电效应C、康普顿效应D、电子对效应E、光核反应C14、电子对效应的产生条件是入射光子的能量不小于A、3.06MeVB、2.04MeVC、0.51MeVD、1.02MeVE、0.25MeVD15、光子与物质相互作用过程中唯一不产生电离的过程是A、相干散射B、光电效应C、康普顿效应D、电子对效应E、光核作用A16、在诊断的X线能量范围内，产生几率占5%的是A、相干散射B、光核反应C、光电效应D、电子对效应E、康普顿散射A17、在20～100KeV诊断X线能量范围内，主要发生的效应A、光核反应和光电效应B、电子对效应和光核反应C、电子对效应和相干散射D、相干散射和光核反应E、光电效应和康普顿效应E18、在诊断能量范围内，X线与物质作用时，不发生的效应是A、相干散射和光电效应B、光电效应和康普顿效应C、相干散射D、康普顿效应E、电子对效应和光核反应E19、在诊断X线能量范围内，光电效应、相干散射、康普顿效应产生的概率分别为A、5%、70%、25%B、5%、25%、70%C、25%、70%、5%D、25%、5%、70%E、70%、5%、25%E。
x线与物质相互作用解读
X线与物质相互作用
2019/3/1
1
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）
2019/3/1 2
• 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
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14
• 对照片质量的影响 不产生散射线
增强天然对比度
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15
• 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）
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三、康普顿-吴有训效应
• 效应/散射
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17
• 实验和理论证明康普顿质量衰减系数σm：
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• 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。
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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。
2019/3/1
3
• 在各种可能的相互作用中：
– 光电效应（photoelectric effect） – 康普顿-吴有训效应（Compton effect） – 电子对效应（electronic pair effect）
3.X线与物质的相互作用
第二节 各种作用发生的相对几率
一、X线引发的各种效应
直接透过 光电吸收
入射X线
光电子 俄歇电子 特征放射
吸收和散射
散射
康普顿散射 相干散射
散射光子
反冲电子
电子对效应
正电子、电子 湮灭辐射光子
31
二、Z和hv与三种基本作用的关系
32
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。
36
课堂总结
射线在医学中的应用基础是射线与物质的相互作 用，在诊断X线能量范围内，光电效应、康普顿 效应所占比例最大。 光电效应对低能光子对高Z吸收物质，是主要作 用形式，它能使照片产生很好对比度，但会增加 被检者的X线剂量。 康普顿效应是X线在人体内最常发生的作用，是X 线诊断中散射线的最主要来源。散射线增加了照 片的灰雾，降低了对比度，但它与光电效应相比 使被检者的受照剂量较低。
X(或γ )射线与物质的相互作用
1
教学目标
掌握： X(或γ )射线与物质的相互作用主要过程 —光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生机 制和发生几率。
熟悉： 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。 了解： X(或γ )射线与物质的相互作用的其他过 程—相干散射、光核反应。
在光子能量较低时,除低Z以外的所有元素都以光电效应为主。
光子能量在0.8～4MeV时，无论Z多大，康普顿效应都占主导 地位。 大的hν 处电子对效应占优势。图中的曲线表示两种相邻效 应正好相等处的Z和hν 值。 ②在20～100keV的诊断X线范围内，光电效应和康普顿效应 是重要的，相干散射不占主要地位，电子对效应不可能发生。
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4．诊断放射学中的光电效应
诊断放射学中的光电效应，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。
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。
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 (丢失电子的原子 )；
③新的光子 （特征辐射）
2.发生几率
实验和理论都可以准确的证明光电质量衰减系数 的表达式为：
m
c1 z43
A
式中 A 是： 原c1 子 是量 一， 个 为 常 入 数 射 ，
2.发生几率
①物质原子序数的影响：与物质原子序数的4 次方成正比。
为此，应设法减少光电效应的发生。
由于光电效应发生概率与光子能量3次方 成反比，利用这个特性在实际工作中采 用高千伏摄影技术，从而达到降低剂量 的目的。
不过，在乳腺X射线摄影中，要注意平衡 对比度和剂量之间的矛盾。
二、康普顿效应
作用过程 作用几率 诊断放射学中的康普顿效应
二、康普顿效应
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。
光电效应
光电效应的概念 发生几率 光电效应中的特征辐射 如何评价诊断放射学中的光电效应
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hν和光电子的动能Ee满足关系：
hEeEB
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入射光子能量的影响 条件：入射光子能量≥轨道电子结合能。 碘的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。
发生几率与光子能量的3次方成反比。 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。光子能量愈大光 电效应的发生几率迅速减小。
1.作用过程
当能量为hν的光子与原子的外层轨道电子相 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)，获得足够能量的轨道电子则脱 离原子与光子入射方向成θ角的方向射出(康 普顿反冲电子) 。
康普顿发现，简称康普顿效应或康普顿散射。
1.作用过程
X(或γ)射线与物质的相互作用
教学目标
掌握： X(或γ)射线与物质的相互作用主要过程 —光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生机 制和发生几率。
熟悉： 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。
了解： X(或γ)射线与物质的相互作用的其他过 程—相干散射、光核反应。
第一节 X射线与物质相互作用的过程
4．诊断放射学中的光电效应
从被检者接收X射线剂量看光电效应是很 有害的。
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 顿散射中被检者只吸收入射光子能量的 一小部分。
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。
4．诊断放射学中的光电效应
2．发生几率
③原子边界吸收的影响 光电效应的概率在光子能量等于K、L、M电子结合
能时发生突然的跳变，概率最大。 光电效应的概率特别大的地方称为吸收限。 物质原子的边界吸收特性在防护材料的选取、复合
防护材料配方及阳性对比剂材料的制备等方面得到 应用。
吸收限
3．光电效应中的特征辐射
X线管中击脱轨 道电子的是阴极 飞来的高速电子 ，
康普顿效应产 生：
①反冲电子，
反冲角度θ
②散射光子，
散射角度φ， 频率ν′来自2.作用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
mc1A N0
Zc2Z
A
式中c2=c1N0是另一个常数。
2.作用几率
①物质原子序数的影响：与Z成正比
由于所有物质的每克电子数(
N A
0
Z
)均十分接近
1.光电效应概念
能量为hν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.光电效应概念
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”。
（氢除外），故所有物质康普顿质量衰减系数几乎相同。
②入射光子能量的影响：与入射光子能量成反比
随着入射光子的能量的增加，光电效应发生概率 下降，康普顿效应发生概率相对提高，在医学影 像上的表现是骨骼与软组织的对比度下降。
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辐射防护中必须引 起注意的问题。
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
三、电子对效应
概念：在原子核场或原子的电子场中，一个入射 光子突然消失而转化为一对正、负电子。
轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈容易发 生光电效应。高原子序数物质，轨道电子的结 合能较大，不仅K层而且其它壳层上的电子也 较容易发生光电效应。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。
在满足光电效应的能量条件下，内层比外层电 子发生光电效应的几率可高出4-5倍。
2.发生几率