X线与物质的相互作用

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X射线与物质的相互作用
光电效应
X射线与物质相互作用的主要过程包括：
(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。
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总结
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。
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1.光电效应概念
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”。 在人体组织中特征X射 线和俄歇电子的能量 低于0.5keV，这些低 能光子和电子很快被 周围组织吸收。
Indirectly ionizing radiation uncharged particles
such as neutron and photons
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电离辐射与物质 的相互作用是X 射线成像的物理 基础和电离辐射 剂量学的基础。
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带电粒子与物质的相互作用的主要方式
具有一定能量的带电粒子入射到靶物质中， 与物质原子发生作用，作用的主要方式有 ①与核外电子发生非弹性碰撞； ②与原子核发生非弹性碰撞； ③与原子核发生弹性碰撞； ④与原子核发生核反应。
100
70 7
1
30 93
99
89 31
9
11 69
91
94 95
88
6 5
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总结
用水来说明低Z组织的情况，如空气、脂肪 和肌肉。 致密骨含有大量钙质，代表中等Z的物质。 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。
单位立体角内放出的光电子的角度分布由 下式决定 ： 2
dN d sin (1 cos )
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式中，θ 是X射线光子的入射方向与光电子 出射之夹角； β是光电子速度与光速之比。
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4．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）。
X(或γ )射线与物质的相互作用
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原子的核外电子因与外界相互作用获得足够 的能量，挣脱原子核对它的束缚，造成原子 的电离。 电离是由具有足够动能的带电粒子，如电子、 质子、α粒子，与原子中的电子碰撞引起的。 原子的核外电子受原子核的束缚不同，带电 粒子必须具有不小于原子核外壳层电子的束 缚能量，才能使物质的原子电离。
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由直接电离粒子或间接电离粒子、或两者混 合组成的辐射成为电离辐射。 另外，有些辐射如红外线、可见光、微波等 电磁波以及低能粒子，由于其能量低，不能 引起物质原子的电离，成为非电离辐射。
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辐射的类型
Directly ionizing radiation
electrons protons α-particles other heavy charged particle
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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。
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2.发生几率
④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。若入射光子的能量 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。
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2．发生几率
若X射线光子通过单位距离的吸收物质时， 因光电效应而导致的衰减称为光电线性衰 减系数，用符号“μτ”表示；而光电质量衰 减系数，用符号“μτ/ρ”表示。 实验和理论都准确地证明光电质量衰减系 数与原子序数、光子能量之间的关系可表 n 1 3 示为： Z /( h )
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1.作用过程
康普顿效应产 生： ①反冲电子， 反冲角度θ ②散射光子，散 射角度φ Fra Baidu bibliotek频
率ν ′
式中n是原子序数的函数，对低原子序数材料n近 似取4，对高原子序数材料n近似取4.8
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吸收限
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2．发生几率
光电效应的概率在光子能量等于K、 L、M电子结合能时发生突然的跳变， 概率最大。 光电效应的概率特别大的地方称为 吸收限。
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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。
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不带电粒子，如光子、中子等，本身不能使物质 电离，但借助它们与原子的壳层电子或原子核作 用产生的次级粒子，如电子、反冲核等，随后在 与物质中的原子作用，引起原子的电离。 由带电粒子通过碰撞直接引起物质的原子或分子 的电离称为直接电离，这些带电粒子称为直接电 离粒子。 不带电粒子通过它们与物质相互作用产生的带电 粒子引起原子的电离，称为间接电离。这些不带 电粒子称为间接电离粒子。
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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。
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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。
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X线与物质的相互作用
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。
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1.光电效应概念
光电效应的实质是什么呢？ 物质吸收X射线使其产生电离的过程。 由能量守恒定律知，发生光电效应时，入射X射线 光子能量hν和光电子的动能Ee满足关系：
h Ee E B
式中EB为原子第i层电子的结合能，与原子序数和壳层数有关。
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例题：
用能量为5eV的光子照射某种金属，产生的 光电子的最大初动能为2.3eV，用能量为 10eV的光子照射该金属，产生的光电子的 最大初动能为多大?
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5．诊断放射学中的光电效应
为此，应设法减少光电效应的发生。 由于光电效应发生概率与光子能量3次方 成反比，利用这个特性在实际工作中采 用高千伏摄影技术，从而达到降低剂量 的目的。 不过，在乳腺X射线摄影中，要注意平衡 对比度和剂量之间的矛盾。
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二、康普顿效应
作用过程 散射光子及反冲电子 散射光子及反冲电子的角分布 作用几率 诊断放射学中的康普顿效应 发现的意义
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二、康普顿效应
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1.作用过程
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υ 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) 。 康普顿发现，简称康普顿效应或康普顿散射。
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总结
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。
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诊断放射学中作用几率与有效原子序数和能量的关系 X线 能量 keV 水（7.4）
光电 （%）
骨（13.8） 碘化钠（49.8）
康普顿 光 电 康普顿 光 电 康普顿 （%） （%） （%） （%） （%）
20 60
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1.光电效应概念
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新的光子 （特征辐射）
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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。
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光电效应
光电效应的概念 发生几率 光电效应中的特征辐射 光电子的角分布 如何评价诊断放射学中的光电效应
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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。
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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。
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4．光电子的角分布
总结
hv < Ei hv ≥ Ei hv >> Ei hv ≥ 2mec2 hv 很高 总质量减弱系数


相干散射 光电效应 康普敦效应 电子对效应 光核反应

p




coh
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直接透过 光电子 入射X线 光电吸收 俄歇电子 特征放射 康普顿散射 吸收和散射 散射 相干散射 电子对效应 散射光子 反冲电子
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5．诊断放射学中的光电效应
从被检者接收X射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子能量的 一小部分。 从全面质量管理观点讲，应尽量减少每 次X射线检查的剂量。
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5．诊断放射学中的光电效应
诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个方 面进行评价。 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增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收 差别，产生高对比度的X射线照片。 有害的方面是，入射X射线通过光电效应可 全部被人体吸收，增加了受检者的剂量。
正电子、电子 湮灭辐射光子
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总结
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总结
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。 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。 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。 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。
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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。