肿瘤放射物理学-物理师资料-2.3 X(γ)射线与物质的相互作用
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§2 X（γ）射线与物质的相互作用
特征射线： 核能级跃迁
湮没辐射： 正电子湮没产生
E 0.511MeV
特征X射线： 原子能级跃迁
X 轫致辐射： 带电粒子速度或运动方向改变 产生
§2 X（γ）射线与物质的相互作用
一、与带电粒子相比，X（γ）射线与物质的相互作用表现出不同 的特点：
X（γ）射线
(2).光电子的能量 由能量守恒，光电子能量为：
Ee hv Bi
Bi 为原子第i层电子的结合能，与原子系数和壳
层数有关。 在光电效应过程中，除入射光子和光电子外，还需要有一个第 三者即原子核参加，动量和能量守恒才能满足。这就是说光子打 在自由电子上不能产生光电效应,只有束缚电子才可能吸收光子产 生光电效应。
低原子序数 n≈4 高原子序数 n≈4.8
光电线性衰减系数：
MA
N A
Zn
/(h )3
光电质量衰减系数：
Байду номын сангаас
NA MA
Z n1 /(h )3
a. 原子序数的影响 光电效应总截面 光电线性衰减系数
Z4～4.8
光电质量衰减系数
Z3～3.8
随原子序数增加，光电效应发生的概率迅速增加。
与其它相互作用相比，低能时光电效应是光子与物质相互作用的 最主要的形式，而低能光子的光电效应只能产生低动能的次级电子； 当电子动能低时，其辐射损失能量可以忽略，从而转移给物质的能 量基本上都被物质吸收了。
(5). 光电子的角分布
光电子的角分布与入射X 光子能量有关
(1) 在 ＝0 和 ＝180 方向没有光电子飞出；
I I0e nt I0et
（窄束、单能） I0 : 在厚度t＝0处， X（γ） 光子束入射方向垂直的单 位面积上的光子数; I: 在厚度t处，单位面积 上的光子数； n:靶物质单位体积的靶粒 子数
µ与光子束能量和靶物质密度有关，与入射光子数无关
X（γ）光子与每单位质量厚度物质发生相互作用
二、主要过程
光电效应、康普顿效应、电子对效应。
其它次要作用过程有相干散射、光致核反应等。 （一）几个概念 1、截面（cross section） ：描述粒子与物质相互作用概率的物 理量，定义为一个入射粒子与单位面积上一个靶粒子发生相互作用 的概率，用符号σ表示。靶粒子可以是原子、原子核或核外电子， 相应的截面称为原子截面、原子核截面、电子截面。σ的SI单位是 m2，专用单位是靶恩（barn，b），1b＝10-24cm2＝10-28m2。
带电粒子
电离或 不能直接引起物质原子电离或激发， 能直接引起物质原 激发 而是通过所产生的次级电子引起物 子电离或激发
质原子的电离和激发
损失能 一次相互作用可以损失其能量的大
量
部分或全部
射程
没有射程这一概念，强度随穿透物 质厚度近似呈指数衰减
通过连续碰撞逐渐 损失能量
有确定的射程，在 射程之外观察不到 带电粒子
换为电子动能。 线性能量转移系数定义X（γ）光子在物质中穿行单位距离时，
其总能量由于各种相互作用而转移为带电粒子动能的份额。
质能转移系数
tr
Etr
h
转移为带电粒子动能的份额 光子能量
tr 1 dEtr E是入射光子的能量，N是入射光子数。 EN dl
受激于光子的大多数电子与物质电子发生非弹性碰撞 （电离或激发）而损失能量，少数（取决于物质的原子系数） 与原子核产生轫致辐射作用而损失能量。轫致辐射能量以X线 的形式辐射出去，不计算在局部体积的吸收能量里。 质能吸收系数定义为X（γ）光子在物质中穿过单位质量厚度 时，其能量真正被受照射物质吸收的那部分所占份额。
l 1/
（二）相互作用方式
Ⅰ. 光电效应 (光子与原子内层电子作用）
hν
e
+
(1). 光电效应作用过程
光子把全部的能量传递给轨道电子，获得能量电子挣脱原 子核束缚成为自由电子（光电子），光子消失；放出光电子 的原子变成正离子并处于激发态；外层电子向内层填充产生 特征X线或外层(俄歇)电子.
次级粒子:光电子、正离子、特征X光子、俄歇电子
b. 入射光子能量的影响
光电效应几率1/(hv)3 随能量增大，光电效应效应发生的概率迅速减小。
入射X（γ）光子的能量最终转化为两部分： 1）次级电子（光电子和俄歇电子）的动能； 2）特征X射线能量。
对于低能X（γ）光子和低原子序数的材料 对于低原子序数材料，轨道电子的结合能很小（如K层电子结合 能大约500eV），因特征X射线能量的平均值应小于结合能， 因此 以发射特征X射线形式损失的能量很小可以忽略，从而入射光子的 能量基本上都转移给了次级电子。
如果一个入射粒子与物质的相互作用有多种相互独立的 作用方式，则相互作用总截面等于各种作用截面之和
c p
总截面 光电效应截面
电子对效应截面 康普顿效应截面
2、线性衰减系数、质量衰减系数
X（γ）光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率，称为线性
衰减系数，用µ表示，单位m-1或cm-1。
的概率称为质量衰减系数 ，单位是m2/kg，或cm2/g。
3、线性能量转移系数、质能转移系数 、质能吸收系数
光子与物质的电子发生作用，将部分或全部能量转换成电子的
动能。若光子只把部分能量给予电子，则其丢失部分能量并散射
开，这散射光子再次通过相互作用将部分或全部能量传递给电子。
这样一个光子可能经过一次或多次相互作用而把它损失的能量转
en tr (1 g)
g为次级电子的动能因辐射而损失的份额。
4、半价层（HVL） 定义为X（γ）射线束流强度衰减到其初始值一半时所需的某种
物质的衰减块的厚度。它与线性衰减系数的关系可表示为
HVL 0.693
与μ的意义一样， HVL表示物质对X（γ）光子的衰减能力。
5、平均自由程（l） 定义为X（γ）光子在与物质发生作用前平均的自由运动距离。
(3).光电截面
电子在原子中被束缚得越紧，产生光电效应的概率就越大。 如果入射光子的能量超过K层电子结合能，那么大约80％的光 电吸收发生在这K层电子上。
入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面。
5 4
k
k为k层光电截面
(4). 作用系数
光电效应总截面：
Z n /(h )3
特征射线： 核能级跃迁
湮没辐射： 正电子湮没产生
E 0.511MeV
特征X射线： 原子能级跃迁
X 轫致辐射： 带电粒子速度或运动方向改变 产生
§2 X（γ）射线与物质的相互作用
一、与带电粒子相比，X（γ）射线与物质的相互作用表现出不同 的特点：
X（γ）射线
(2).光电子的能量 由能量守恒，光电子能量为：
Ee hv Bi
Bi 为原子第i层电子的结合能，与原子系数和壳
层数有关。 在光电效应过程中，除入射光子和光电子外，还需要有一个第 三者即原子核参加，动量和能量守恒才能满足。这就是说光子打 在自由电子上不能产生光电效应,只有束缚电子才可能吸收光子产 生光电效应。
低原子序数 n≈4 高原子序数 n≈4.8
光电线性衰减系数：
MA
N A
Zn
/(h )3
光电质量衰减系数：
Байду номын сангаас
NA MA
Z n1 /(h )3
a. 原子序数的影响 光电效应总截面 光电线性衰减系数
Z4～4.8
光电质量衰减系数
Z3～3.8
随原子序数增加，光电效应发生的概率迅速增加。
与其它相互作用相比，低能时光电效应是光子与物质相互作用的 最主要的形式，而低能光子的光电效应只能产生低动能的次级电子； 当电子动能低时，其辐射损失能量可以忽略，从而转移给物质的能 量基本上都被物质吸收了。
(5). 光电子的角分布
光电子的角分布与入射X 光子能量有关
(1) 在 ＝0 和 ＝180 方向没有光电子飞出；
I I0e nt I0et
（窄束、单能） I0 : 在厚度t＝0处， X（γ） 光子束入射方向垂直的单 位面积上的光子数; I: 在厚度t处，单位面积 上的光子数； n:靶物质单位体积的靶粒 子数
µ与光子束能量和靶物质密度有关，与入射光子数无关
X（γ）光子与每单位质量厚度物质发生相互作用
二、主要过程
光电效应、康普顿效应、电子对效应。
其它次要作用过程有相干散射、光致核反应等。 （一）几个概念 1、截面（cross section） ：描述粒子与物质相互作用概率的物 理量，定义为一个入射粒子与单位面积上一个靶粒子发生相互作用 的概率，用符号σ表示。靶粒子可以是原子、原子核或核外电子， 相应的截面称为原子截面、原子核截面、电子截面。σ的SI单位是 m2，专用单位是靶恩（barn，b），1b＝10-24cm2＝10-28m2。
带电粒子
电离或 不能直接引起物质原子电离或激发， 能直接引起物质原 激发 而是通过所产生的次级电子引起物 子电离或激发
质原子的电离和激发
损失能 一次相互作用可以损失其能量的大
量
部分或全部
射程
没有射程这一概念，强度随穿透物 质厚度近似呈指数衰减
通过连续碰撞逐渐 损失能量
有确定的射程，在 射程之外观察不到 带电粒子
换为电子动能。 线性能量转移系数定义X（γ）光子在物质中穿行单位距离时，
其总能量由于各种相互作用而转移为带电粒子动能的份额。
质能转移系数
tr
Etr
h
转移为带电粒子动能的份额 光子能量
tr 1 dEtr E是入射光子的能量，N是入射光子数。 EN dl
受激于光子的大多数电子与物质电子发生非弹性碰撞 （电离或激发）而损失能量，少数（取决于物质的原子系数） 与原子核产生轫致辐射作用而损失能量。轫致辐射能量以X线 的形式辐射出去，不计算在局部体积的吸收能量里。 质能吸收系数定义为X（γ）光子在物质中穿过单位质量厚度 时，其能量真正被受照射物质吸收的那部分所占份额。
l 1/
（二）相互作用方式
Ⅰ. 光电效应 (光子与原子内层电子作用）
hν
e
+
(1). 光电效应作用过程
光子把全部的能量传递给轨道电子，获得能量电子挣脱原 子核束缚成为自由电子（光电子），光子消失；放出光电子 的原子变成正离子并处于激发态；外层电子向内层填充产生 特征X线或外层(俄歇)电子.
次级粒子:光电子、正离子、特征X光子、俄歇电子
b. 入射光子能量的影响
光电效应几率1/(hv)3 随能量增大，光电效应效应发生的概率迅速减小。
入射X（γ）光子的能量最终转化为两部分： 1）次级电子（光电子和俄歇电子）的动能； 2）特征X射线能量。
对于低能X（γ）光子和低原子序数的材料 对于低原子序数材料，轨道电子的结合能很小（如K层电子结合 能大约500eV），因特征X射线能量的平均值应小于结合能， 因此 以发射特征X射线形式损失的能量很小可以忽略，从而入射光子的 能量基本上都转移给了次级电子。
如果一个入射粒子与物质的相互作用有多种相互独立的 作用方式，则相互作用总截面等于各种作用截面之和
c p
总截面 光电效应截面
电子对效应截面 康普顿效应截面
2、线性衰减系数、质量衰减系数
X（γ）光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率，称为线性
衰减系数，用µ表示，单位m-1或cm-1。
的概率称为质量衰减系数 ，单位是m2/kg，或cm2/g。
3、线性能量转移系数、质能转移系数 、质能吸收系数
光子与物质的电子发生作用，将部分或全部能量转换成电子的
动能。若光子只把部分能量给予电子，则其丢失部分能量并散射
开，这散射光子再次通过相互作用将部分或全部能量传递给电子。
这样一个光子可能经过一次或多次相互作用而把它损失的能量转
en tr (1 g)
g为次级电子的动能因辐射而损失的份额。
4、半价层（HVL） 定义为X（γ）射线束流强度衰减到其初始值一半时所需的某种
物质的衰减块的厚度。它与线性衰减系数的关系可表示为
HVL 0.693
与μ的意义一样， HVL表示物质对X（γ）光子的衰减能力。
5、平均自由程（l） 定义为X（γ）光子在与物质发生作用前平均的自由运动距离。
(3).光电截面
电子在原子中被束缚得越紧，产生光电效应的概率就越大。 如果入射光子的能量超过K层电子结合能，那么大约80％的光 电吸收发生在这K层电子上。
入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面。
5 4
k
k为k层光电截面
(4). 作用系数
光电效应总截面：
Z n /(h )3