x线与物质相互作用解析

4 27
2020/3/10
28
2020/3/1029源自在20～100keV诊断X线能量范围内，只有光 电效应和康普顿效应是主要的，相干散射所 占的比例很小，并不重要，光核反应可以忽 略，电子对效应不可能发生。
2020/3/10
30
X线衰减规律
• X线的衰减：距离所致、物质吸收所致
– 距离：X线强度与距离（半径）的平方成反比 – 应用：利用焦点至胶片距离的办法来调节强度
2020/3/10
31
• 物质：相互作用所致 • 原子序数、密度、穿透厚度
• 应用：成像，滤过
2020/3/10
32
一、单能窄束X线的衰减规律
• 单能窄束的获取方法
• 服从朗勃-比尔定律（指数衰减规律）：
I

I 0 e l

I emlm 0
μ：线性衰减系数/线性吸收系数，μm：质 量衰减系数，lm质量厚度
2020/3/10
33
• 诊断X线频段，X线能量较低，光电效应 起主导作用，故而：

式中，τ为光电效应衰减系数，σ为康普顿 效应衰减系数，κ为电子对效应衰减系数。
2020/3/10
6
• 通常会采用质量衰减系数μm来表达物质对 射线衰减的强弱：
m



m




m
m
m
式中，τm为光电效应质量衰减系数，σm为 康普顿效应质量衰减系数，κm为电子对效 应质量衰减系数。
13
2020/3/10
14
• 对照片质量的影响
不产生散射线
增强天然对比度
2020/3/10
15
• 对被检者的影响： 增加了辐射剂量
应对方法： 增大管电压（高千伏摄影）
2020/3/10
16
三、康普顿-吴有训效应
• 效应/散射
2020/3/10
17
• 实验和理论证明康普顿质量衰减系数σm：
m
• 当入射光子能量增加到恰好等于原子轨道电子的 结合能时，τm突然增加。这些吸 收突然增加处称 为吸收限
• 当光子能量等于K层电子的结合能时，发生K边界 限吸收（K缘吸收）；等于L电子的结合能时，发 生L边界限吸收（L缘吸收）……
• 最重要的是K边界限吸收，因为光电效应主要发生 在K层电子轨道。
2020/3/10
• 能量相同、方向相反的两个能量为511keV 光子称为湮灭辐射—爱恩斯坦的质量能量互 换原理
2020/3/10
23
2020/3/10
24
2020/3/10
25
• 对照片质量无直接影响 • 发生机率正比于Z2
在常用X线能量范围内发生几率低，在诊断X 线范围内不可能发生。
2020/3/10
26
2020/3/10
第二章 放射物理基础
X线与物质相互作用
2020/3/10
1
当X-ray进入物体时，会有三种情形发生：
被物体吸收 （Absorption)
产生散射现象（Scatter）
穿透（Penetration）
2020/3/10
2
• 相比于电子在靶物质中的情况，光子在物质中：
– 电离 – 激发 – 生热 – 碰撞损失 – 生物效应

c1N0 A
Z

c2 A
Z
– 几率正比于1/(hν) – 原子序数越高几率越大，几率正比于Z
2020/3/10
18
• 光子与原子的外层轨道电子相互作用，光 子交给轨道电子部分能量后，频率发生改 变，并散射。轨道电子同时脱离并出射。
• 反冲电子与散射光子（出射角度）
– 康普顿散射光子的角分布强烈地依赖于入射光 子的能量。
2020/3/10
20
• 产生散射 • 对照片质量的影响
散射线
2020/3/10
21
四、电子对效应
2020/3/10
22
• 入射光子在原子核场或电子场中，突然消 失而转化为一对正、负电子
• 正、负电子有各自的动能
• 正电子遇到其它电子后发生湮灭效应，产 生湮灭辐射
• 湮灭效应是指正电子与电子相遇后消失， 转变成为能量相同、方向相反的两个光子， 光子能量为511keV
2020/3/10
7
二、光电效应
2020/3/10
8
与光电效应有关的诺贝尔物理学奖
• 1921年，爱因斯坦因建立 光量子理论并成功解释了 光电效应而获奖。
• 1922年，玻尔因建立原子 理论（因密立根证实了光 量子理论而获得了实验支 持）而获奖。
• 1923年，密立根因测量基 本电荷和研究光电效应而 获奖。
2020/3/10
9
• 光子通过物质时与原子内层轨道电子相互 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 子本身整个被原子吸收，这样的作用过程 称为光电效应。
• 与特征X线产生的相似性（碘、钡、钙）
2020/3/10
10
• 光电效应中产生：
– 负离子（光电子、俄歇电子） – 正离子 – 特征辐射
2020/3/10
11
• 光电效应的发生几率（对X线衰减系数）：
m

c1 A
Z4
3
– 入射光子能量〉轨道结合能 – 入射光子能量不能过高 – 几率正比于1/(hν)3 – 原子序数越高几率越大，几率正比于Z4
2020/3/10
12
原子边界限吸收
• τm（光电效应发生率）一般随入射光子能量的增 大而降低
2020/3/10
3
• 在各种可能的相互作用中：
– 光电效应（photoelectric effect） – 康普顿-吴有训效应（Compton effect） – 电子对效应（electronic pair effect）
– 相干散射。。。
• 相互作用的结果，是发生上述效应，而X线 光子被衰减
2020/3/10
2020/3/10
19
• 散射波长改变量的数量级为 10-12m，可见光 波长~10-7m，所以观察不到康普顿效应。
• 散射光中有与入射光相同的波长的射线， 是由于光子与原子碰撞，原子质量很大， 光子碰撞后，能量不变，因此散射光频率 不变。
• 由于康普顿对“康普顿效应”的一系列实 验及其理论解释，因此获得了1927年诺贝 尔物理学奖（与英国的威尔逊一起分享）
4
一、X线衰减系数
• 当X线通过距离为dx的物质时，由于上述各 种过程，射线强度I被衰减，衰减量表示为 dI，用衰减系数μ来表示衰减的强弱：
dI Idx dI
I dx
2020/3/10
5
• 由于X线通过物质时的主要相互作用是光电 效应、康普顿效应及电子对效应三种过程 损失其能量的绝大部分，忽略其他作用后 ，有：