X射线与物质的相互作用

光电效应特征
∗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 退激发或去激发过程 原子能量的过程，此过程可称为退激发 去激发过程 退激发 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 射线 发射特征X射线 发射特征 或发射俄歇电子 发射俄歇电子。 发射俄歇电子
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实验结果 在散射X 在散射X 射线中除有 与入射波长相同的射线外， 与入射波长相同的射线外， 还有波长比入射波长更长 的射线 . 经典理论的困难 经典电磁理论预言， 经典电磁理论预言， 散射辐射具有和入射辐射 一样的频率 . 经典理论无 法解释波长变化 .
相对强度） I（相对强度） o θ =0
讨论 若 λ 的关系与物质无关 与物质无关， ∆λ 与θ 的关系与物质无关，是光子与近自由电子
0
可见光观察不 可见光观察 到康普顿效应. λ >> λC 则 ≈ λ0 ,可见光观察不到康普顿效应
间的相互作用. 间的相互作用 的散射光是因光子与金属中的紧束缚 光子与金属中的 λ 散射中∆ = 0 的散射光是因光子与金属中的紧束缚 电子（原子核）的作用. 电子（原子核）的作用 物理意义 光子假设的正确性， 光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性 . 微观粒子也遵守能量守恒 动量守恒定律 能量守恒和 定律. 微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律
m = m0(1− vv2 c c2) 1/ 2 = m (1 − / / ) − m
2
2 −1 / 2
0
h 2h 2θ sin ∆λ = (1 − cosθ ) = m0c m0c 2
h 康普顿波长 λC = = 2.43 × 10 −12 m = 2.43 × 10 −3 nm m0 c
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h ∆λ = (1 − cosθ ) = λC (1 − cosθ ) m0 c
4. 电子对效应
• 当入射光子能量高于1.02MeV时，光子从原 子核旁经过时，在原子核库仑场作用下，光 子转化为一个正电子和一个负电子。 • 发生几率：高原子序数↑ ，高能量↑ • 特征： ∗ 正电子 ∗ 负电子
电子对效应示意图
∗ 能量方程：
正电子
=
hυ 0
正电子通过物质 吸引电子使原子 电离正电子失去 小部分能量 与一自由电子结 合，湮灭
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v e0
Fra Baidu bibliotek
ϕ
x
m c (1 −
2 4
v
c
2 ) = m0c4 − 2h2ν0ν(1 − cos θ) + 2m0c2h ν0 − ν) ( 2
2
c c c ch h − − = ( −1cosθθ = λ − λ0 = ∆λ = 1 ( − cos )) ν νν ν 0m0cm0c 0
康普顿公式
影响x射线穿透能力的因素
1. 光子能量 E= h • v 所以 波长越短 v 越大 E 增大 穿透力越 强 2. X射线的穿透力与物质密度有关 密度大的物质，对X射线的吸收多，透 过少；密度小的物质，吸收少，透过多。
X射线的几种吸收方式 射线的几种吸收方式
1、光电效应 、 2、康普顿效应 、 3、电子偶效应 、
X射线与物质的相互作用
一、物理作用 1 X射线的穿透作用 射线的穿透作用 2 X射线的电离作用 射线的电离作用 二、化学效应 三、生物效应
X射线的穿透作用 射线的穿透作用
X射线能穿透一般可见光所不能透过的物 射线能穿透一般可见光所不能透过的物 可见光因其波长较长， 质。可见光因其波长较长，光子具有的能 量很小，当射到物体上时，一部分被反射， 量很小，当射到物体上时，一部分被反射， 大部分为物质所吸收，不能透过物体； 大部分为物质所吸收，不能透过物体；而 X射线则不然，因其波长短，能量大，照 射线则不然， 射线则不然 因其波长短，能量大， 在物质上时，仅一部分被物质所吸收， 在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大 部分经由原子间隙而透过，表现出很强的 部分经由原子间隙而透过， 穿透能力。 穿透能力。
µ = µ 光电 + µ 康 + µ 对偶
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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。 ∗ 条件：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。 ∗ 能量关系：EK= hv-A E ∗ EK ：光电子的动能 ∗ hv ：光子的能量 ∗ A ：逸出功
发射特征X射线
原子内层(例如K层)出现空位，较外层(例如L层)电 子向内层辐射跃迁，发射的辐射即X射线，其光子 频率取决于电子跃迁前(电子在L层)与跃迁后(电子 在K层)的能级差(hv=∆E=EL-Ek)，也可说取决于初态 (跃迁前，K层空位)与终态(跃迁后，L层空位)电子 结合能之差(hv=∆Eb=EbK－EbL)，故称为特征X射线 (表征元素的特征信息)。由于是光激发(光致电离)， 故发射的X射线为荧光(二次)X射线。
µ＝ wj µj ∑
j
元素的质量吸收系数， 其中µj 代表吸收体内第 j 元素的质量吸收系数，wj是它所占 重量百分比（ 重量百分比（ ） wj = 1 。
∑
X射线的电离作用 射线的电离作用
∗ 物质受X射线照射时，使核外电子脱离原子轨道， 这种作用叫电离作用。 ∗ 在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电 子脱离其原子的过程叫一次电离，这些光电子或 反冲电子在行进中又和其它原子碰撞，使被击原 子逸出电子叫二次电离。在固体和液体中，电离 后的正、负离子将很快复合，不易收集。但在气 体中的电离电荷却很容易收集起来，利用电离电 荷的多少可测定X射线的照射量（X射线测量仪器 正是根据这个原理制成的）。 ∗ 电离作用是X射线损伤和治疗的基础
X射线与物质的相互作用
它是一种波长极短 (0.01~100Å)，能 ， 量极大的电磁波 具有波粒二象性。 的电磁波， 量极大的电磁波，具有波粒二象性。
X射线与物质的相互作用的本质有两方面： 一、以光子的形式与物质原子的相互作用，包括光子与 原子、原子的电子及自由电子、原子核的相互作用。 二、以波的形式在物质表面或者晶面发生的反射、折射、 衍射等。
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康普顿 （A. H.Compton) 美国人(1892-1962） 美国人 ）
康普顿在做康普顿散射实验 康普顿在做康普顿散射实验
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电子对效应
∗作用对象： X-射线与物质原子在原子核 作用对象： 作用对象
∗
∗条件： 条件
区相互作用
∗ X-射线光子与原子核作用时能量大于1.02MeV， 入射光子与原子的电子发生作用也可以产生电子对 效应，但其发生的可能性远小于入射光子与原子核 相互作用过程，并且，入射光子的能量应不小于是 2.04MeV。
1.022
MeV
+ ε + +ε − 与原子中的电子相互 作用 正电子的动能耗完
二种粒子的质量均转变为能量产
生二能量均为0.511Mev 生二能量均为 的光子（射线）， ），方向相 的光子（射线），方向相 反。
X射线的吸收系数
∗ 这三种作用对应的吸收系数分别为 μ光 电,μ康,μ对偶，总的吸收系数是
结论 散射光波长的改变量
θ = 0,∆λ = 0
θ = π (∆λ)max = 2λC ,
散射光子能量减小
∆λ仅与 θ有关 hν v y e hν 0 v v c e0 e θ c
λ > λ0, < ν0 ν
v e0
ϕ
x
v mv
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h 康普顿公式 ∆λ = (1 − cosθ ) = λC (1 − cosθ ) m0 c
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=hν E E= νhν
hν v y e 能量守恒 hν 0 v v c 22 2 2 e0 e hv0 + m0 c == νhν mc mc h + + hv0 + m0c θ c
理论分析 动量守恒
hν 0 v hνν v v v ν v v v h 0 e0 = h e + mv mv c e0 = cc e + mv c 2 2 2 2 2 2ν 2 2 2 2 hν 0 h ν h ν 0ν ν 2 2 ν 2 2 v = m 2 = h 20 + h 2 −− 2 h ν0cos θ θ mv c2 + c 2 c 2c2 cos c c 2 2 2 4 vv ) = m 2 c 4 − 2h 2ν ν (1 − cos θ ) + 2m c22 h(ν −ν ) 2 c 1 2 mm 4(1(−− 2 ) = m0c4 − 2h2ν0ν(1 − cos θ) + 2m00 h( 0 0 − ν) c c ν 0 0 2 cc
光电效应的过程
∗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。
λ0
θ = 45
o
λ λ
λ0
θ = 90o
θ = 135
o
λ
波长） λ（波长）
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量子解释 物理模型 光子
ν0
y
v0 = 0
电子
y
光子
x
ϕ
γ
θ
电子
ν
x
入射光子能量大 . 范围为： 4 10 5 eV 范围为：104 ~~ 105eV E=h 10 固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子. 固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子. 近自由电子 << hν 可近似为静止电子 静止电子. 电子热运动能量 << hν ν，可近似为静止电子. << h 电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理. 相对论力学来处理 电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理.
俄歇效应
实质是较高能级的轨道电子填充空位时所释放的能 实质 量，可以激发外层轨道电子，使外层电子从原子中 发射出来，这种电子称为俄歇电子 俄歇电子。(轻元素更易发 俄歇电子 生)
康普顿效应
1920年 美国物理学家康普顿在观察X 1920年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质 散射时，发现散射线中含有波长发生变化了的成分. 散射线中含有波长发生变化了的成分 散射时，发现散射线中含有波长发生变化了的成分. 实验装置
生物效应
当X射线照射到生物机体时，生 物细胞受到抑制、破坏甚至坏死， 致使机体发生不同程度的生理、 病理和生化等方面的改变。
生物效应
生物体受到辐射损伤后的变化按照时间先后分3个阶段 生物体受到辐射损伤后的变化按照时间先后分 个阶段：
1 物理学阶段：即高速运转的粒子与组织中细胞核相互作用，产生一系列 物理学阶段：即高速运转的粒子与组织中细胞核相互作用， 电离和激发过程 2 化学阶段：电离和激发导致化学键的断裂和自由基的产生，自由基可以 化学阶段：电离和激发导致化学键的断裂和自由基的产生， 扩散一定的距离到达一个关键的靶并造成损伤， 扩散一定的距离到达一个关键的靶并造成损伤，射线直接作用于细胞内 关键的靶造成细胞损伤称为直接作用 是高LET射线 重离子或快中子） 称为直接作用， 射线( 关键的靶造成细胞损伤称为直接作用，是高 射线 重离子或快中子） 放射损伤的主要形式，通过产生的自由基间接造成损伤称为间接作用 间接作用， 放射损伤的主要形式，通过产生的自由基间接造成损伤称为间接作用， 是临床常用的γ和 射线放射损伤的主要形式 是临床常用的 和Χ射线放射损伤的主要形式 生物反映阶段：在这一时相大部分损伤得以修复， 3 生物反映阶段：在这一时相大部分损伤得以修复，而不能修复的损伤最 终导致细胞死亡，在放疗期间和放疗结束后短期内， 终导致细胞死亡，在放疗期间和放疗结束后短期内，表现为肿瘤退缩和 后期则表现为正常组织后期损伤， 正常组织急性放射反应 ；后期则表现为正常组织后期损伤，如皮肤软 组织纤维化，脊髓损伤， 组织纤维化，脊髓损伤，血管损伤等
µ = µ光电 + µ康 + µ对偶
X射线的吸收系数
∗ 当X射线由低能光子组成 一般不超过 射线由低能光子组成(一般不超过 射线由低能光子组成 一般不超过150Kev)时，这时不会 时 发生电子偶效应。 发生电子偶效应。
µ = µ光电 + µ康
∗ 假若吸收体由 j 种不同纯元素均匀混合而成，那么该 种不同纯元素均匀混合而成，那么该 吸收体的质量吸收系数为 吸收体的质量吸收系数为 体的质量吸收系数
化学效应
X射线的化学效应主要分为感光作用和着色作用：
感光作用： 同可见光一样，X射线能使胶片感光。当X射线
照射到胶片上的溴化银时，能使银粒子．沉淀而使胶片产 生“感光作用”。胶片感光的强弱与X射线量成正比。
着色作用：某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经X射 着色作用
线长期照射后，其结晶体脱线量的吸收不同，致绽胶片上 所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。