第三章 射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。
射线与物质的相互作用
光电效应
作用对象：X-射线与物质原子的内层电子或束缚电 子相互作用。 过程：若光子能量大于束缚电子的结合能。 电子被光子击出：“光电子”产生。光子本身消 失了， 物质的原子被电离，原壳层处留下空位。 “光电子”继续撞击物质中的其它原子，它的动 能以热的形式消耗在附近晶格中； 空位为外层电子(自由电子)所填充，产生辐射： 发出标识X-射线。
光电效应示意图
光电子发射的方向与入射光子的能量相关，当入射光子的 能量较低时，光电子主要分布在与入射光子方向垂直的方 向；随着入射光子能量的增大，光电子的发射方向逐渐倾
向于入射光子的方向。
光电效应特征
光电子 光子激发原子内层电子并击出电子(光电子) ，原子在发射光电子的同时内层出现空位 ，此时原子(实际是离子)处于激发态，将发 生较外层电子向空位跃迁以降低原子能量 的过程，此过程可称为退激发或去激发过 程。退激发过程有两种互相竞争的方式， 即发射特征X射线或发射俄歇电子。
散射前后能量分布
散射光子
h h 1 (1 cos )
h me c 2
反冲电子
hv hv
Ek ,max 2 h 1 2
康普顿效应
入射光子与外层电子或自由电子发生非弹 性碰撞，入射光子的一部分能量转移给电 子，使电子成为反冲电子，同时，入射光 子的能量减少，成为散射光子。 发生几率：原子序数低↑，中等能量↑。 特征
光电效应发生条件与概率
如果入射光子的能量大于轨道电子与原子核的结 合能，入射光子与原子的轨道电子相互作用时， 光子把全部能量传递给轨道电子，使之发射出去 ，而光子本身消失。
光子能量守恒
Ee=hv-Ei
发生概率：低能量↑、高原子序数↑。光电效应的
第三章 X射线与物质的相互作用
康普顿效应
• 定义：当入射X射线和原子内一个轨道电子 发生相互作用时，光子损失一部分能量， 并改变运动方向，电子获得能量而脱离原 子，这个过程称为康普顿效应。
康普顿效应示意图
影响康普顿效应的发生几率的因素
• 康普顿效应的发生几率与光子的能量成反 比，与原子序数和单位体积内的原子个数N 成正比。
Z和hv与三种基本作用的关系
1、能量低的光子与高原子序数的物质 以光电效应为主。 2、能量中等的光子与高原子序数的物 质以康普顿效应为主。 3、能量高的光子与高原子序数的物质 以电子对效应为主。
电子对效应
• 定义：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。
影响电子对效应发生几率的因素
• 电子对效应的发生几率与物质原子序数的 平方成正比，与单位体积内的原子个数成 正比，并与光子能量成近似正比关系。
第三章 X射线与物质的相互作用
• • • • • 一、光电效应 二、康普顿效应 三、电子对效应 四、相干散射 五、光核作用
光电效应
• 定义：能量变hv的X射光子通过物质时，与 物质原子的轨道电子发生相互作用，把全 部能量传递给这个电子，光子消失，获得 能量的电子挣脱束缚成为自由电子（称为 光电子）；原子的电子轨道出现一个空位 而处于激发态，它将通过发射特征X射线或 俄歇电子的形式很快回到基态，这个过程 称为光电效应。
诊断放射学中的光电效应
• 有利的方面 • 1、光电效应不产生散射线，增大光电效应 就可减少照片的灰雾，产生质量好的影像。 • 2、光电效应增加人体不同组织和对比剂对 射线的吸收差别，产生高对比度的X射线照 片（钼靶软组织X射线摄影） • 有害的方面 • 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。
射线与物质的相互作用全解
射线与物质的相互作用全解1.α射线与物质相互作用：α射线是由两个质子和两个中子组成的氦核，在与物质相互作用时，主要通过库仑相互作用与物质中的原子核和电子发生碰撞。
-α粒子与原子核碰撞：由于α粒子具有正电荷，与带正电荷的原子核发生库仑力相互作用。
当α粒子的动能较高时，它能够克服原子核的库仑斥力，与原子核进行散射或靶核核反应。
例如，α衰变中，α粒子通过电子云与原子核接触，克服库仑斥力，从而离开原子核。
-α粒子与电子碰撞：α粒子也能与物质中的电子发生库仑散射。
这种散射主要影响较低能量的α粒子，使其改变方向，并逐渐失去能量。
2.β射线与物质相互作用：β射线包括β正电子和β负电子，它们在与物质相互作用时，主要通过电磁相互作用与物质的电子发生碰撞。
-β电子与物质中的电子相互作用：β电子与物质中的电子发生库仑散射，导致β电子方向改变，并逐渐失去能量。
此外，β电子还会与物质中的原子核发生库仑相互作用，引起散射或产生次级带电粒子。
同时，β电子还会与物质中的靶核发生β衰变反应。
-β正电子与物质相互作用：β正电子与物质中的电子发生湮没作用，这是由于正电子和电子之间的共振效应导致的。
正电子与物质中的电子湮没后，能量转化为两个光子。
3.γ射线与物质相互作用：γ射线是电磁波，在与物质相互作用时，主要通过光电效应、康普顿散射和对消能量通过光子转化为电子对等几种机制与物质发生相互作用。
-光电效应：γ射线与物质中的原子发生相互作用，使原子内的电子受到能量的激发或被打出原子，形成光电子。
-康普顿散射：γ射线与物质中的电子发生碰撞，因为能量较高，导致电子被击中后发生能量和动量的转移，γ射线发生能量和方向的散射。
-电子对产生：γ射线经过物质时，其能量可能会转化为电子对（正电子和电子对）。
这是一种相对论效应，当γ射线的能量较高时，会出现这种现象。
4.X射线与物质相互作用：X射线与物质相互作用的主要机制是光电效应和康普顿散射。
-光电效应：X射线与物质中的原子发生相互作用，使原子内的电子受到能量的激发或被打出原子，形成光电子。
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。
射线与物质的相互作用全解
射线与物质的相互作用全解射线与物质的相互作用是物理学中的重要课题之一、射线主要包括X 射线、γ射线以及带电粒子射线。
它们与物质相互作用过程可以通过不同的机制进行解释，其中主要包括光电效应、康普顿散射、电子对产生以及核反应等。
本文将详细介绍射线与物质不同相互作用过程的全解。
首先，光电效应是指射线与物质相互作用时，射线能量被物质的原子或分子吸收，同时将一些原子或分子的一个外层电子打出，使其形成自由电子，并使原子或分子离子化。
光电效应的发生需要满足光子能量大于物质原子或分子的束缚能。
在光电效应中，射线的能量被完全转化为电子的动能，并且随着射线能量的增加，光电效应的截面逐渐增大。
其次，康普顿散射是指射线与物质相互作用时，射线与物质中的自由电子碰撞，并转移能量。
在康普顿散射过程中，射线的能量减小，同时产生散射射线，其散射角度与原始射线方向有关。
康普顿散射的截面依赖于射线能量和散射角度，而与物质性质无关。
因此，康普顿散射广泛应用于材料成分分析和非破坏性检测等领域。
第三，电子对产生是指高能射线与物质相互作用时，射线的能量转化为正负电子对。
在电子对产生中，射线的能量足够高，超过物质原子或分子的静止能量，因此，能够产生正负电子对。
电子对的产生量与射线能量呈正比，并且与物质性质无关。
最后，核反应是指射线与物质的原子核相互作用而产生新的核反应产物。
核反应的过程可以分为两类：一类是射线与原子核碰撞产生的弹性散射或非弹性散射，另一类是射线与原子核相互作用产生裂变反应或聚变反应。
核反应的截面与射线能量和物质的原子核性质密切相关。
需要指出的是，射线与物质相互作用过程的解释是基于经典物理学理论的基础上进行的。
在高能物理学领域中，射线与物质相互作用的解释需要使用量子场论的框架来描述。
此外，射线与物质的相互作用和影响还涉及到辐射生物学、辐射医学以及放射化学等学科的研究。
这些都是相当广泛和复杂的领域，需要进一步深入的研究和实践来完全解释。
射线与物质相互作用
I
厚层
表示射线β计数率与 h无关，已达饱和 此时h称为饱和厚度
①③ ②
I I ，
③对于以上两者之间，有： I I0 (1 eh )
过渡层
1.3.2 γ射线与物质的相互作用 1.3.2.1、作用形式
一、γ 射线的特点
即是粒子，又是光子，具有波粒二象性，是一种波 长极短的电磁辐射，不带电，静止质量为零，不会 发生电离，激发，轫致辐射作用。
(
dE dX
)电离
n)
2、轫致辐射
当高速电子或其它带电粒子通过物质，而被原子核库 仑场阻止而减速时，伴生的电磁辐射，此称轫致辐射。 另一定义：当快速运动的带电粒子在原子核附近突然 被减速时，则有一部分动能转变为连续能量的电磁辐 射，这种过程称为轫致辐射。
(
dE dX
)辐射
Z 2EN m02
三、带电粒子在介质中的射程
1、带电粒子的吸收：带电粒子与物质作用（电离，激 发，轫致辐射）不断损失自已的能量，直到能量完全 耗尽，而停在介质中，这一过程称为~。
2、射程：沿入射方向从入射点到终止点的直线距离。
α粒子的射程
3
R
β α
R 0.318E2 (cm)
R' 3.2104
A
R (cm)
强度(cps/道/%K )
8
K谱
10
K谱 (a)
12
Cs-137的仪器谱
为什么会发生这一现象?
如何发生的?
其过程是这样的:
(1)γ 光子与NaI晶体作用,产生次 级电子:
光电效应____光电子
康吴效应_____反冲电子,散射光 子__光电子
第三章 射线与物质的相互作用
第三章射线与物质的相互作用上一章讨论了原子核的放射性。
原子核在衰变过程中，放射出各种各样的粒子。
本章讨论这些粒子与物质的相互作用。
本章所述的射线，泛指核衰变或核裂变放出的粒子，或由加速器，核反应β等等。
堆产生的各种各样的粒子，如n,,,,,3γHex,dta,本章所涉及的物质，可以是气体液体和固体，可以是单质也可以是化合物或混合物。
通常叫做靶物质。
本章要讨论的是当粒子通过物质时所发生的各种相互作用和效应。
了解射线与物质的相互作用的意义在于：（1）理解射线与物质相互作用的机理，增加人们对微观世界的认识；（2）由射线与物质相互作用的实验，例如散射实验，可以提供有关原子和原子核结构的知识（3）各种探测器都是依据射线与物质相互作用的机制、特点来设计和制造的。
因此，研究射线与物质相互作用的认识，为制造这些设备提供了依据（提供基础知识）（4）射线通过物质时要造成辐射损伤，我们可以根据射线与物质相互作用的知识，进行有效的辐射防护（5）根据射线与物质相互作用的知识，开展核技术和各个学科领域的应用。
如在核测井方法中，密度测井就是根据γ射线与物质相互作用的规律来测量地层密度的。
在本章中对于带点粒子与物质相互作用只作简要介绍，着重讨论γ射线与物质的相互作用。
有关中子与物质的相互作用在第六章讨论。
§１带电粒子与物质的相互作用α、β、γ射线穿透物质时，要与靶物质发生相互作用．这种相互作用涉及两个方面：（1）射线（2）靶物质。
不同的射线与物质相互作用的机制不同；而不同的靶物质即使对于同种射线的作用也有差异。
对于射线按带电与否可分为：荷电粒子，如α、β及各种离子：不带电粒子：如γ、n等再按质量的大小分：重带电粒子；轻带电粒子。
地球物理测井专业主要利用射线与物质的相互作用来确定地层的一些参数。
由于γ射线不带电荷，可以入射到物质的深处，因而可以得出物质较深处的相互特性。
这是我们重点讨论非带电粒子与物质相互作用的原因。
具有一定能量的带电粒子射入靶物质与物质发生相互作用，有如下四种作用方式：（1）与核外电子发生非弹性碰撞；（2）与核发生非弹性碰撞；（3）与核外电子发生弹性碰撞；（4）与核发生弹性碰撞。
辐射与物质的相互作用
照射量下降百分数(%)
0 22 47 80
使用低滤过高千伏摄影,对受检者十分有害.而厚 度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义.
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
楔形或 梯形滤 过板
4. X (γ)射线在物质中的衰减
I I 01e
光 子 数
1 x
I 02e
2 x
I 0 ne
n x
单能X线 连续X线
水模厚度
影响因素
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律 (2)、X线的滤过
低能X线不能透过人体(吸收)，对形成X线 影像不起作用，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 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， 使平均能量增高。
表5 人体不同组织的线衰减系数μ(m-1)
管电压(kV) 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 脂肪(×102) 0.3393 0.2653 0.2196 0.2009 0.1905 0.1832 0.1801 0.1774 0.1755 0.1742 0.1732 0.1724 肌肉(×102) 0.4012 0.2933 0.2455 0.2213 0.2076 0.1994 0.1942 0.1906 0.1882 0.1864 0.1852 0.1842 骨骼(×102) 2.4434 1.4179 0.9677 0.7342 0.6047 0.5408 0.4865 0.4530 0.4298 0.4132 0.4010 0.3918
第三章 射线与物质的相互作用
第三章射线与物质的相互作用一·电离：电离辐射非电离辐射阿尔法粒子（氦）易发生电离，但易被阻挡（电离只能由高能粒子发生）粒子：1·激发态：（低能态-高能态）M ~M+ 和电子剥离内层电子即激发过程（电离过程）2·退激发态：由高能态-低能态直接电离与间接电离直接电离：间接电离：强电离弱电离中等电离二·放射源接收器（检测器）射程计算：电子对/距离- 电离强度（二）·贝塔射线与物质的相互作用（中等电离辐射）质量小- 作用于电子（核外电子）上作用于物质时引起直接电离致辐射：用轰击重金属核（三）·伽马X射线光电效应：光子能量小于1.0 电子伏特光电子：由光电效应引起的所剥离的自由电子内层电子被剥离后产生“空穴”使得外层电子进入内层被称为俄歇电子康普顿散射：0.2-5.0 电子伏特部分能量被吸收剩余的继续作用高能光子散射角度较小低能光子散射角度较大即受光子能量影响电子对：光子能量大于1.02 电子伏特产生正电子负电子正负电子湮灭释放能量（质量变为能量并释放光子能量与之前相同）但能量来源于之前的光子光子与物质之间的作用>30种原子序数与光子能量关系图（包含光电效应康普顿效应电子对）（四）·中子中子一般来源于核反应快中子能量高速度快弹性散射：小核非弹性散射：大核中子俘获：减速以后的中子（也是快中子）会发生被俘获后发出伽马射线（大原子如铱192）热中子：由快中子蜕变快电子重带电粒子快电子的速度大；重带电粒子相对速度小；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；快电子散射严重重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线阿尔法射线与束缚电子发生非弹性碰撞-------电离，激发贝塔射线与核外电子发生非弹性碰撞——电离，激发，致辐射伽马射线X射线光电反应-----光子被吸收康普顿散射----光子被散射弹性散射------产生两个光子中子非弹性散射------ 光子中子俘获-------其他辐射单纯路径上离子化物质密度------线性能量转移---线碰撞阻止本领阿尔法：贝塔：伽马=104:102:1辐射的生物学效应1·能量吸收------皮肤出现红斑2·大分子被破坏-----蛋白质---结构改变---变性---失去功能核酸----被打破断裂--自我修复（出错碱基替换即基因突变）。
3.X线与物质的相互作用
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：
c1 4 3 m z A
式中：A是原子量，c1 是一个常数，为入射线的波长。
9
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。 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。
37
课堂测评
1．不是光电效应的产物的是 A．光电子 B．正离子 D．俄歇电子 E．轫致辐射
E
C．特征辐射
2.关于光电效应的发生几率正确的是 A．和管电流成正比 B ．和原子序数的四次方成反比 C．和原子序数的三次方成正比 D．大约和能量的四次方成正比 E．大约和能量的三次方成反比
3
光电应
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
4
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。
18
二、康普顿效应
19
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。
第3章 X射线与物质的作用
几点说明
1）散射光子包含两种情况 1.与原子入射光子波长相同的光子。入射光子 与结合能大的电子发生弹性碰撞，能量没有任 何损失。但方向改变。
2.比原光子波长长的光子，表示散射光子能量 比原光子减少（非弹性碰撞）。
2）同样入射光子能量条件下，康普顿散射更易 发生在Z大的物质中，因其单位体积中电子数 量中电子数多些。
是X射线成像的最大散射线来源，影响成像 质量。
散射到各个方向，须加强防护。
3.1.4 电子对效应
1、电子对效应的产生 入射光子与原子核周围电场作用时，一 个光子的能量转化为一个正电子和一个 负电子，称为“电子对效应”。 电子对总动能：
h1.02 M 2eV
电子对效应
电子对效应
1)发生条件：
康普顿散射
能量较高的辐射光子在与物质相互作 用时，光子方向发生偏离，能量（频率、 波长）也发生变化。这一现象由A H Compton首先发现，他把这一现象解释为 辐射光子与“自由”电子非弹性碰撞的结 果。
图解康普顿散射
入射 光子
+
散射
光子
反冲电子
图4-6 康普敦散射示意图
康普顿散射
散射光子波长变化：
实际是射线穿过的单位面积上的物质质量称为质量厚度单位是gcm质量厚度厚度密度如果将质量衰减系数用表示则质量衰减系数相当于将线性衰减系数对物质密度作归一化所以质量衰减系数与物质密度无关只表现物质组成的差别
第3章 X射线与物质的作用
电离的概念
带电离子（电子、质子、粒子等）与
物质的作用,---直接电离。 非带电离子（光子）与物质的作用---间
Ze2.94 fiZi2.94
第三节 X射线与物质的相互作用
3. 散射电子和反冲电子的角分布
4. 诊断放射学中的康普顿效应 X射线的散射——需要防护
四、电子对效应
1. 作用过程 当X射线光子从原子核旁经过时，在原子核库
仑场的作用下形成一对正负电子，此过程称为电子 对效应。
发生电子对效应前提——光子的能量大于1.02MeV （兆电子伏 ）
dN 1
N dx
线性衰减系数是光子束能量和靶物质材料的函数， 与入射光子数无关；线性衰减系数越小，说明X射线 的穿透能力越强。
光子数的变化服从指数衰减规律，但必须满足窄束 和单能（单一频率的X射线）条件。所谓窄束是指X 射线光子束的照射范围小，足以保证与靶物质相互 作用后产生的散射光子照不到探测器。
单能平行X射线光子束入射到物质中，如图
入射X射线
靶 厚度
探测器 衰减后的原射线
散射光子
2. μ线性衰减系数 设靶物质单位体积的靶粒子数为n，密度ρ；
在厚度x=0处，与X射线光子束入射方向垂直的单位 面积上的光子数为N0（微分方程的初始条件） ； 在厚度x处，单位面积上的光子数为N；
穿过dx薄层时，有- dN个光子与物质发生了作用。
弹性散射（也称为电子共振），这个电子吸收入射 光子的能量而跃迁到高能级（该电子并未脱离原子， 故反冲体是整个原子），随即又放出一个能量约等 于入射光子能量的散射光子（说明散射光子与原光 子频率差不多）。
相干散射质量衰减系数：
coh Z (h )2
物质对X射线散射的实质是物质中的电子与X光 子的相互作用。
第三节 X射线与物质的相互作用
X射线在与物质的相互作用过程中的大多数情况表 现出其粒子性。
大部分能量转化为热能，产生非生物效应。 光电效应 康普顿效应 电子对效应
射线粒子在物质中的相互作用机制
射线粒子在物质中的相互作用机制1.散射：射线粒子在物质中与原子核或电子的相互作用会发生散射。
这种散射过程可以理解为射线粒子与物质中的散射中心相互作用，使其改变原来的运动方向。
散射过程中，射线粒子的能量和动量可能会改变，但总的能量和动量守恒。
2.电离和激发：射线粒子在物质中与原子发生碰撞时，可以将电子从原子的束缚态转移到自由态，这个过程称为电离。
射线粒子的能量转移到电离产物上，使其解离成离子对。
此外，射线粒子还可能激发原子，使其电子跃迁到高能级轨道上，从而产生激发态原子。
3.俘获：射线粒子在物质中与原子核相互作用时，可能被原子核俘获。
这种过程称为俘获。
射线粒子被俘获后，其能量会转移到原子核上，产生新的核反应。
这个过程在核物理学和核工程中有重要的应用。
以上是射线粒子在物质中的相互作用机制的主要内容，下面将具体介绍不同射线粒子在物质中的相互作用。
1.α粒子：α粒子由两个质子和两个中子组成，具有较大的质量和带电量。
在物质中，α粒子与原子核的作用力较强，容易发生散射和电离。
由于α粒子的质量大，其穿透能力较弱，很快就会被物质吸收。
2.β粒子：β粒子分为β-电子和β+正电子两种。
β-电子带负电，与物质中电子相互作用较强，容易发生散射和电离。
β+正电子与物质中的电子发生湮灭反应，产生γ射线。
β粒子的穿透能力较强，需要较厚的物质来吸收。
3.γ射线：γ射线是电磁辐射，不带电荷，穿透能力很强。
在物质中与电子相互作用较弱，主要通过与原子核相互作用来衰减。
γ射线通常会经历光电效应、康普顿散射和正负电子对产生消失三种主要相互作用。
4.中子：中子是中性粒子，散射和俘获是其在物质中的主要相互作用。
中子与原子核发生弹性散射，其能量和动量会发生变化。
中子还可以被原子核俘获，这种俘获过程会产生新的核反应。
此外，中子还可能通过与物质中的氢原子相互作用，发生中子弹性散射和单独散射。
总之，射线粒子在物质中的相互作用机制涉及散射、电离和激发以及俘获等不同过程。
【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。
《核物理》伽马射线与物质的相互作用
由人工或天然放射性同位素制成，如钴(60Co)源，铯 (137Cs)源，锌(65Zn)源、汞(203Hg)源和铈(141Ce)源。
¡ 测井中最常用的是：钴 (60Co)源和铯 (137Cs)源 ¡ 目前γ -γ测井即岩性密度测井中使用的伽马源基本上 都是137Cs源。
已发现的天然核素约有60余种为放射性核素
质量百分比/% 49.13 26.00 7.45 4.20 3.25 2.40 2.35 1.00 1.87 地 层 元 素 含 量 分 布 表
O、Si和Al总量占地壳总量的82.58%；
¡ 前 9种即 O、 Si、 Al、 Fe、 Ca、Na、 K、 Mg和 H总
量占地壳总量的98.13%；
¡ 而 其余元素仅占地壳元素总 量的 1.87%。 ¡ 核辐射测井所关心的不是地层中 所有的 元素，而是
3）光子说的提出
¡ 爱因斯坦在1905年提出光子说，即在空间
中传播的光也不是连续的，而是一份一份 的，每一份叫做一个光量子，简称光子。
¡ 光 子的能量 E跟光的频率ν成 正比。
E=hν 其中h是一个常量，叫普朗克常量。 h=6.63×10－34J.s
困难2 光 强越 大，电子 可获得更 多能 光 电子的最大初 动能 量，光 电子的最大初 动能 也应 与 光强 无关 ，而与频 该越大，即出射电子的最大初 率 有关 动 能应 该由 光强 来决 定
A
1）光电效应实验结果：
W 石英窗
K
阴 极
¡ 任何一种金属 都有一 极限频率ν 0， 入射光 的频率
必须大于ν0（无论光强多大）才能发生光电效应 。 大，而与入射光的强度无关。
¡ 光 电子的最大 初动能只随入 射光 的频率增大而 增
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。
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第三章射线与物质的相互作用
一·电离：电离辐射非电离辐射
阿尔法粒子（氦）易发生电离，但易被阻挡
（电离只能由高能粒子发生）
粒子：1·激发态：（低能态-高能态）M ~M+ 和电子
剥离内层电子即激发过程（电离过程）2·退激发态：由高能态-低能态
直接电离与间接电离
直接电离：
间接电离：
强电离弱电离中等电离
二·
放射源接收器（检测器）
射程计算：电子对/距离- 电离强度
（二）·贝塔射线与物质的相互作用（中等电离辐射）
质量小- 作用于电子（核外电子）上
作用于物质时引起直接电离
致辐射：用轰击重金属核
（三）·伽马X射线
光电效应：光子能量小于1.0 电子伏特
光电子：由光电效应引起的所剥离的自由电子
内层电子被剥离后产生“空穴”使得外层电子进入内层被称
为俄歇电子
康普顿散射：0.2-5.0 电子伏特
部分能量被吸收剩余的继续作用
高能光子散射角度较小
低能光子散射角度较大
即受光子能量影响
电子对：光子能量大于1.02 电子伏特产生正电子负电子
正负电子湮灭释放能量（质量变为能量并释放光子能量与之前相
同）但能量来源于之前的光子
光子与物质之间的作用>30种
原子序数与光子能量关系图（包含光电效应康普顿效应电子对）
（四）·中子
中子一般来源于核反应
快中子能量高速度快
弹性散射：小核
非弹性散射：大核
中子俘获：减速以后的中子（也是快中子）会发生被俘获后发出伽马射线
（大原子如铱192）
热中子：由快中子蜕变
快电子重带电粒子
快电子的速度大；重带电粒子相对速度小；
快电子除电离损失外，辐射损
失不可忽略；重带电粒子主要通过电离损失而
损失能量；
快电子散射严重重带电粒子在介质中的运动径迹
近似为直线
阿尔法射线与束缚电子发生非弹性碰撞-------电离，激发
贝塔射线与核外电子发生非弹性碰撞——电离，激发，致辐射伽马射线X射线光电反应-----光子被吸收
康普顿散射----光子被散射
弹性散射------产生两个光子
中子非弹性散射------ 光子
中子俘获-------其他辐射
单纯路径上离子化物质密度------线性能量转移---线碰撞阻止本领
阿尔法：贝塔：伽马=104:102:1
辐射的生物学效应
1·能量吸收------皮肤出现红斑
2·大分子被破坏-----蛋白质---结构改变---变性---失去功能
核酸----被打破断裂--自我修复（出错碱基替换
即基因突变）。