5-1第五章 第一节 X线与物质的相互作用解析

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。
*一、光电效应



三、电子对效应


原子核场中产生电子对效应时，入射光子的能 量h≥2mc2(2mc2=1.02 MeV)。原子的电子场中， 入射光子的能量h≥4mc2(4mc2＝2.04 MeV)。 电子对效应在原子核场中发生的几率，远大于 在电子场中发生的几率。 设ε +、ε -分别表示正、负电子的动能，得： hν ＝2mc2＋ε +＋ε 式中正、负电子的动能不一定相等，其能量是 从0到最大值为E＝hν －2mc2的连续能谱。

3．散射光子和反冲电子的角分布


康普顿效应产生的 散射线是辐射防护 中必须注意的问题。 X线诊断过程中从 病人身上产生的散 射线能量与原射线 相差很少，并且散 射线比较对称地分 布在整个空间，必 须引起重视。
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。 正电子与电子的质量相等，所带电量相等， 性质相反。正电子与电子一样，在物质中 由于电离或激发逐渐耗尽其动能。慢化的 正电子在停止前的一刹那，很快与物质中 的自由电子复合，随即向相反方面射出两 个能量各为0.51 MeV的光子(图2-26)，这 个现象称为湮灭(annihilation)辐射。
*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。 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”。

1 cos E＝hν －hν ′= h 1 1 cos
2．反冲电子及散射光子
表2-4 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) (keV) 30° 60° 90° 180° 25 24.9 24.4 24 23 50 49.6 47.8 46 42 75 74.3 70 66 58 100 98.5 91 84 72 150 146 131 116 95
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。
5．光电子的角分布
光电子的角分布与光子的能量有关，当光 子能量很低时，光电子与入射方向成90° 角射出的几率最大。 随着光子能量的增加，光电子的分布逐渐 倾向于前方（入射方向）。

*二、康普顿效应
*1．概念 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) 。 康普顿和吴有训首先发现，称康普顿-吴 有训效应，简称康普顿效应或康普顿散 射。
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。
第一节

X线与物质的相互作用
第一节

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。
第一节

X线与物质的相互作用

四、三个基本效应

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。
四、三个基本效应
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。 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。 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。
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。 原因是散射线的能量大，滤过板不能将 它滤除；由于它的偏转角度小，所以也 不能用滤线栅把它从有用线束中去掉。
*4．诊断放射学中的光电效应



从被检者接收X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 吸收入射光能量的一小部分。 尽量减少或避免辐射对人体的伤害，应设法减 少光电效应的发生。实际工作中可采用高kV照 像技术，减少光电效应的发生几率，保护被检 者。
2．反冲电子及散射光子
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 不同角度的散射光子与反冲电子能量分配的特 性。hν 为入射光子能量，而hν 1、hν 2 …… 为不同角度散射的光子能量。数字1、2……10 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：

3．散射光子和反冲电子的角分布
康普顿散射光子的角分布，强烈地依赖 于入射光子的能量。对0.1 MeV的低能 光子产生的散射光子对称于90°角分布， 随着光子能量的增加，散射光子趋于前 方。 从曲线上一点到作用点的距离表示在该 方向上散射线的强度。如果以X线的入 射方向为轴旋转一周就成为散射线强度 的空间分布图。
h 1 cos mc
2．反冲电子及散射光子
1 cos 0.0243



λ 为入射光子的波长；λ ′为散射光子的波长； 为光子的散射角。 表明对于给定的散射角，光子波长的改变与入 射光子的能量有关。 由于入射光子的能量分配给了散射光子和反冲 电子，因此，康普顿反冲电子的能量等于入射 光子和散射光子的能量之差，即：
第五章 X线与物质的相互作用
第一节

X线与物质的相互作用
X线与物质的作用都是和原子发生作用。 X线在物质中可引起物理的、化学的和生 物的各种效应。 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。 高速电子通过组织时，与原子相互作用， 使其电离或激发，产生化学变化和生物 损伤；在被吸收的能量中，97％的转变 为热能，3%的能量以引起化学变化的形 式积蓄起来。
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

四、三个基本效应



相干散射仅占5% 左右。 水中除低能光子 外，康普顿散射 是主要的。 NaI的Z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 顿散射是主要的。
四、三个基本效应



对Z较低的软组织，在射线能量很低时光电效 应为主；放射摄影中常用钼靶X线机产生的低 能X线摄片，是为了增加光电效应的几率使照 片的对比度提高。 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。


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可增强天然组织的对比度(contrast)。 由于人体的一些组织比其它组织能吸收更多的 射线，这样产生了X线影像的对比度。 邻近组织吸收X线的差别愈大，对比度愈高。 由于光电效应的发生几率与Z4成正比，所以光 电效应能增大不同元素所构成组织间吸收X线 的差别(如骨和软组织)。
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。

3．光电效应中的特征辐射


百度文库

X线光子把碘的K电子击脱，造成一个K空位时， 一般情况下都是邻近壳层的电子跃入填充其空 位。 L电子跃入填充时产生能量为28.3keV的光子辐 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 的光子(4.9－0.6＝4.3keV)，一直继续下去， 直到33.2keV的能量全部转换为光能为止。 K空位也可由外来的自由电子落入填充，这时 将放出一个33.2keV的光子，这是碘的最大能 量的特征辐射。

*1．康普顿效应


康普顿效应产 成： ①反冲电子， 反冲角度θ
②散射光子， 散射角度φ ，

频率ν ′
2．反冲电子及散射光子

只有入射光子能量远远超过电子在原子中的结合能 (约10000倍)时，才容易发生康普顿效应。 实际常忽略轨道电子的结合能，把康普顿效应看成是 入射光子与自由电子的碰撞。 象两个球的碰撞(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，反冲电子获得的 能量也很小，散射光子保留了绝大部分能量；如果碰 撞更直接些，光子的偏转角度增大，损失的能量增多； 正向碰撞时，反冲电子获得的能量最多，这时被反向 折回的散射光子仍保留一定的能量。
*一、光电效应
＊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特征辐射。
*一、光电效应

2．发生几率
①入射光子必须有克服轨道电子结合能的足够 能量。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。 ②光子能量≥电子结合能容易发生光电效应。 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。光电效应的几率： 1 光电效应几率∝ 3 h
3．光电效应中的特征辐射
Ca是人体内Z最高的主要元素，它的K特 征辐射只有4 keV，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。 人体内其它元素的特征辐射的能量更小 (0.5 keV)。 人体各组织由X线照射所产生光电效应的 特征辐射将全被组织吸收。

*4．诊断放射学中的光电效应

四、三个基本效应
图2-28指出水、致密骨和NaI对20～ 100keV的光子能量所发生的各种作用的 百分数。 相干散射占5％，康普顿散射占25％，光 电效应占70％，总数是100%。 用水来说明低Z组织的情况，如空气、脂 肪和肌肉。 空气虽然发生相互作用的总数比水少， 但每种作用的相对百分数几乎相同。 致密骨含有大量钙质，代表中等Z的物质。