第四章 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。

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。

*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。

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。
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
*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

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。
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


h mc
1 cos
2．反冲电子及散射光子
0 . 0243 1 cos



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：
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
Байду номын сангаас


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。
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。
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．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



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。
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。
第二节

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。
第二节

X线与物质的相互作用

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。

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。

E＝hν －hν ′= h
1 cos
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
第二节 X线与物质的相互作用
第二节

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。
*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。
*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”。


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)。
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