放射防护课件5.X线与物质的相互作用

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1、X(或)射线与物质的相互作用1l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。l电离是由具有足够动能的带电粒子，如电子 、质子、粒子，与原子中的电子碰撞引起 的。l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。2l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。l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。l不带电粒子通

2、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。3l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。l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。4辐射的类型lDirectly ionizing radiationelectronsprotons-particlesother heavy charged particlelIndirectly ionizing radiationuncharged particles such as neutron an

3、d photons5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。6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l与核外电子发生非弹性碰撞；l与原子核发生非弹性碰撞；l与原子核发生弹性碰撞；l与原子核发生核反应。 78X线与物质的相互作用lX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。l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。l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

4、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。9X线与物质的相互作用l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。l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。lX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。10X线与物质的相互作用lX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。l吸收时光子的能量全部变为其他形式的能量；l弹性散射仅改变辐射的传播方向，l非弹性散射改变辐射的方向，也

5、部分地吸收光 子的能量。11X射线与物质的相互作用 lX射线与物质相互作用的主要过程包括：l光电效应 (photoelectric effect)l康普顿效应(Compton effect)l电子对效应(electronic pair effect）l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。12总结lhv Ei 康普敦效应lhv 2mec2 电子对效应lhv 很高 光核反应l总质量减弱系数13吸收和散射入射X线直接透过光电吸收电子对效应散射光电子俄歇电子特征放射康普顿散射相干散射散射光子反冲电子正电子、电子湮灭辐射光子14总结15总结l在0.0110MeV范围内，

6、产生光电效应、康普顿 效应和电子对效应三个基本过程。l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。l光子能量在0.84MeV时，无论Z多大，康普顿效应 都占主导地位。l大的h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h值。l在20100keV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。16总结l水、致密骨和NaI对20100keV的光子能量 所发生的各种作用的百分数。17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）骨（13.8）碘化钠（49.8 ）光 电（ %）康普顿 （%）

7、光 电 （%）康普顿 （%）光 电 （%）康普顿 （%）2070308911946607933169955100199991881218总结l用水来说明低Z组织的情况，如空气、脂肪 和肌肉。l致密骨含有大量钙质，代表中等Z的物质。l相干散射仅占5%左右。l水中除低能光子外，康普顿散射是主要的。lNaI的Z高，主要是光电作用。l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。19总结l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。l低能光子对高Z吸收物质，光电效应是主要作用

8、 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。l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。2021光电效应l光电效应的概念l发生几率l光电效应中的特征辐射l光电子的角分布l如何评价诊断放射学中的光电效应221.光电效应概念l能量为h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 。231.光电效应概念l放出光电子的原子所 处的状态是不稳定的

9、 ，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”。l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。 241.光电效应概念l光电效应的实质是什么呢？l物质吸收X射线使其产生电离的过程。l由能量守恒定律知，发生光电效应时，入射X射线 光子能量h和光电子的动能Ee满足关系：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。25例题：l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

10、 最大初动能为多大?261.光电效应概念光电效应产生：l负离子(光电子、俄歇 电子)；l正离子(丢失电子的原 子)；l新的光子（特征辐射）272.发生几率l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。l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。282.发生几率l轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈容易 发生光电效应。l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

11、易发生光电效应。l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。292.发生几率l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45倍。 302发生几率 l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“”表示；而光电质量衰减 系数，用符号“/”表示。l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 示为：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 31吸收限32

12、2发生几率l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。l光电效应的概率特别大的地方称为 吸收限。333光电效应中的特征辐射lX线管中击脱轨 道电子的是阴极 飞来的高速电子 ，l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。343光电效应中的特征辐射lX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。lL电子跃入填充时产生能量为28.3keV的光子辐射 (33.24.928.3keV)；lL空位由M电子跃入填充时放出一个4.3keV能量的 光子(4.90.64.3keV)，一直继续下去，直到 33.2k

13、eV的能量全部转换为光能为止。lK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。353光电效应中的特征辐射lCa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。l人体内其它元素的特征辐射的能量更小 (0.5 keV)。l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。364光电子的角分布l单位立体角内放出的光电子的角度分布由 下式决定 ：l式中，是X射线光子的入射方向与光电子 出射之夹角；l是光电子速度与光速之比。 37384光电子的角分布l光电子的角分布与光

14、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。l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）。395诊断放射学中的光电效应l诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个方 面进行评价。 l光电效应能产生质量好的照片影像，原因：l不产生散射线，减少照片的灰雾；l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。l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。405诊断放射学中的光电效应l从被检者接收X射线剂量看光电效应是很 有害的。l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

15、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。l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。415诊断放射学中的光电效应l为此，应设法减少光电效应的发生。l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。l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。42二、康普顿效应l作用过程l散射光子及反冲电子l散射光子及反冲电子的角分布l作用几率l诊断放射学中的康普顿效应l发现的意义43二、康普顿效应441.作用过程l当能量为h的光子与原子的外层轨道电子相 互作用时，光子交

16、给轨道电子部分能量后，其 频率发生改变并与入射方向成角散射(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角的方向射出(康 普顿反冲电子) 。l康普顿发现，简称康普顿效应或康普顿散射。451.作用过程l康普顿效应产生 ：l反冲电子，反 冲角度l散射光子，散 射角度，频 率462反冲电子及散射光子l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。l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。l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