1、1X(或)射线与物质的相互作用2教学目标教学目标l 掌握：掌握： X(X(或或) )射线与物质的相互作用主要过射线与物质的相互作用主要过程程光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生机制和发生几率。机制和发生几率。l 熟悉：熟悉： X( X(或或) )射线与物质作用规律在射线诊断、射线与物质作用规律在射线诊断、屏蔽防护中的应用。屏蔽防护中的应用。l 了解：了解： X( X(或或) )射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用的的其他过其他过程程相干散射、光核反应。相干散射、光核反应。3第第一节一节 X X射线与物质相互作用射线与物质相互作用的的过程过程lX X射
2、线与物质相互作用的主要过程包括：射线与物质相互作用的主要过程包括：l光电效应光电效应 (photoelectric effect)(photoelectric effect)l康普顿效应康普顿效应(Compton effect)(Compton effect)l电子对效应电子对效应(electronic pair effect(electronic pair effect）l三种主要过程损失能量的绝大部分。其三种主要过程损失能量的绝大部分。其他次要过程有他次要过程有相干散射相干散射、光核反应光核反应等。等。4光电效应光电效应l光电效应的概念光电效应的概念l发生几率发生几率l光电效应中的特征辐射
3、光电效应中的特征辐射l如何评价诊断放射学中的光电效应如何评价诊断放射学中的光电效应51.1.光电效应概念光电效应概念l 能量为能量为hh的光子通过的光子通过物质时与原子的物质时与原子的内层内层电子电子相互作用，将相互作用，将全全部部能量交给电子，获能量交给电子，获得能量的电子摆脱原得能量的电子摆脱原子核的束缚成为子核的束缚成为自由自由电子电子( (光电子光电子) )，光子，光子本身被原子吸收的作本身被原子吸收的作用过程称为光电效应。用过程称为光电效应。61.1.光电效应概念光电效应概念l 放出光电子的原子所放出光电子的原子所处的状态是处的状态是不稳定不稳定的，的，其电子空位很快被外其电子空位很
4、快被外层电子跃入填充，随层电子跃入填充，随即发出即发出特征特征X X线光子线光子。特征特征X X线在离开原子之线在离开原子之前，又将外层电子击前，又将外层电子击脱，称为脱，称为“俄歇电俄歇电子子”。l 在人体组织中特征在人体组织中特征X射射线和俄歇电子的能量线和俄歇电子的能量低于低于0.5keV，这些低，这些低能光子和电子很快被能光子和电子很快被周围组织吸收。周围组织吸收。71.1.光电效应概念光电效应概念l 光电效应的实质是什么呢？光电效应的实质是什么呢？l 物质吸收物质吸收X射线使其产生电离的过程。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，入射由能量守恒定律知，发生光电
5、效应时，入射X射线射线光子能量光子能量h和光电子的动能和光电子的动能Ee满足关系：满足关系：BeEEh式中式中EB为原子第为原子第i层电子的结合能，与原子序数和壳层数有关。层电子的结合能，与原子序数和壳层数有关。81.1.光电效应概念光电效应概念光电效应产生：光电效应产生：l 负离子负离子 ( (光电子、俄歇电光电子、俄歇电子子) )；l 正离子正离子 ( (丢失电子的原丢失电子的原子子) )；l 新的光子新的光子 （特征辐射）（特征辐射）92.2.发生几率发生几率l 实验和理论都可以准确的证明光电质量衰减系数实验和理论都可以准确的证明光电质量衰减系数的表达式为：的表达式为：341zAcm为入
6、射线的波长。为入射线的波长。是一个常数，是一个常数，是原子量，是原子量，式中：式中：1cA102.发生几率l物质原子序数的影响：与物质原子序数的物质原子序数的影响：与物质原子序数的4 4次方成正比。次方成正比。l轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈容易发轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈容易发生光电效应。高原子序数物质，轨道电子的结生光电效应。高原子序数物质，轨道电子的结合能较大，不仅合能较大，不仅K K层而且其它壳层上的电子也层而且其它壳层上的电子也较容易发生光电效应。低较容易发生光电效应。低Z Z物质，只有物质，只有K K电子结电子结合能较大，所以光电效应几乎都发生在合能较大，所以光电效应几
7、乎都发生在K K层。层。l在满足光电效应的能量条件下，内层比外层电在满足光电效应的能量条件下，内层比外层电子发生光电效应的几率可高出子发生光电效应的几率可高出4-54-5倍。倍。112.2.发生几率发生几率l入射光子能量的影响入射光子能量的影响l条件：入射光子能量条件：入射光子能量轨道电子结合能。轨道电子结合能。l碘的碘的K K电子结合能电子结合能33.2keV33.2keV，若光子能量是，若光子能量是33keV33keV，就不能击脱该电子，但可击脱，就不能击脱该电子，但可击脱M M或或L L层电子。层电子。l发生几率与光子能量的发生几率与光子能量的3 3次方成反比。次方成反比。l如一个如一个
8、34keV34keV的光子比的光子比100keV100keV的光子更容易的光子更容易与碘的与碘的K K层电子发生作用。层电子发生作用。光子能量愈大光光子能量愈大光电效应的发生几率迅速减小。电效应的发生几率迅速减小。122 2发生几率发生几率l 原子边界吸收的影响原子边界吸收的影响l 光电效应的概率在光子能量等于光电效应的概率在光子能量等于K、L、M电子结合电子结合能时发生突然的跳变，概率最大。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。光电效应的概率特别大的地方称为吸收限。l 物质原子的边界吸收特性在防护材料的选取、复合物质原子的边界吸收特性在防护材料的选取、复合防
9、护材料配方及阳性对比剂材料的制备等方面得到防护材料配方及阳性对比剂材料的制备等方面得到应用。应用。13吸收限吸收限143 3光电效应中的特征辐射光电效应中的特征辐射lX X线管中击脱轨线管中击脱轨道电子的是阴极道电子的是阴极飞来的飞来的高速电子，l光电效应中是光电效应中是X X线光子线光子，结果是，结果是造成电子空位，造成电子空位，产生特征辐射。产生特征辐射。154 4诊断放射学中的光电效应诊断放射学中的光电效应l诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个方面进行评价。方面进行评价。 l光电效应能产生光电效应能产生质量好质量好的照片影像，原因：的照片影像，原因：l
10、不产生散射线，减少照片的灰雾；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增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别，收差别，产生高对比度的产生高对比度的X X射线照片。射线照片。l有害的方面是，入射有害的方面是，入射X射线通过光电效应可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。全部被人体吸收，增加了受检者的剂量。164诊断放射学中的光电效应l从被检者接收从被检者接收X X射线剂量看光电效应是很射线剂量看光电效应是很有害的。有害的。l被检者从光电效应中接收的被检者从光电效应中接收的X X线剂量比其线剂量比其他任何作用都多。一个入射光子的能量他任何作用都多。一个入
11、射光子的能量通过光电作用全部被人体吸收，在康普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顿散射中被检者只吸收入射光子能量的一小部分。一小部分。l从全面质量管理观点讲，应尽量减少每从全面质量管理观点讲，应尽量减少每次次X射线检查的剂量。射线检查的剂量。174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。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由于光电效应发生概率与光子能量3次方次方成反比，利用这个特性在实际工作中采成反比，利用这个特性在实际工作中采用高千伏摄影技术，从而达到降低剂量用高千伏摄影技术，从而达到降低剂量的目的。的目的。l不过
12、，在乳腺不过，在乳腺X射线摄影中，要注意平衡射线摄影中，要注意平衡对比度和剂量之间的矛盾。对比度和剂量之间的矛盾。18二、康普顿效应二、康普顿效应l作用过程作用过程l作用几率作用几率l诊断放射学中的康普顿效应诊断放射学中的康普顿效应19二、康普顿效应201.作用过程l当能量为当能量为hh的光子与原子的的光子与原子的外层轨道电子外层轨道电子相相互作用时，光子交给轨道电子部分能量后，其互作用时，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频率发生改变并与入射方向成角散射角散射( (康普康普顿散射光子顿散射光子) )，获得足够能量的轨道电子则脱，获得足够能量的轨道电子则脱离原子与光子入射
13、方向成离原子与光子入射方向成角的方向射出角的方向射出( (康康普顿反冲电子普顿反冲电子) ) 。l康普顿发现，简称康普顿效应或康普顿散射。康普顿发现，简称康普顿效应或康普顿散射。211.作用过程l 康普顿效应产康普顿效应产生：生：l 反冲电子，反冲电子，反冲角度反冲角度l 散射光子，散射光子，散射角度散射角度，频率频率222.作用几率作用几率l 实验和理论都可以准确证明康普顿质量衰减系数实验和理论都可以准确证明康普顿质量衰减系数的表达式为的表达式为l 式中式中c2=c1N0是另一个常数。是另一个常数。ZAcZANc201m232.作用几率作用几率l 物质原子序数的影响：与物质原子序数的影响：与
14、Z成正比成正比l 由于所有物质的每克电子数由于所有物质的每克电子数( )均十分接近均十分接近 （氢除外），故所有物质康普顿质量衰减系数几乎相同。（氢除外），故所有物质康普顿质量衰减系数几乎相同。ZAN0l 入射光子能量的影响：与入射光子能量成反比入射光子能量的影响：与入射光子能量成反比l 随着入射光子的能量的增加，光电效应发生概率随着入射光子的能量的增加，光电效应发生概率下降，康普顿效应发生概率相对提高，在医学影下降，康普顿效应发生概率相对提高，在医学影像上的表现是骨骼与软组织的对比度下降。像上的表现是骨骼与软组织的对比度下降。243. 诊断放射学中的康普顿效应l 康普顿效应中产生的散射线是辐
15、射防护中必须引康普顿效应中产生的散射线是辐射防护中必须引起注意的问题。起注意的问题。l 在在X射线诊断中，从受检者身上产生的散射线其射线诊断中，从受检者身上产生的散射线其能量与原射线相差很少，并且散射线比较对称地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，这个事实必须引起医生和技术分布在整个空间，这个事实必须引起医生和技术人员的重视，并采取相应的防护措施。人员的重视，并采取相应的防护措施。l 另外，散射线增加了照片的灰雾，降低了影像的另外，散射线增加了照片的灰雾，降低了影像的对比度，但与光电效应相比受检者的剂量较低。对比度，但与光电效应相比受检者的剂量较低。25三、电子对效应三、
16、电子对效应26三、电子对效应三、电子对效应l 概念：概念：在原子核场或原子的电子场中，一个入射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。光子突然消失而转化为一对正、负电子。l 正电子与电子的质量相等，所带电量相等，性质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。激发逐渐耗尽其动能。l 慢化的正电子慢化的正电子在停止前的一刹那，很快与物质中在停止前的一刹那，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的自由电子复合，随即向相反方面射出两个能量各为各为0.5
17、11 0.511 MeVMeV的光子，这个现象称为的光子，这个现象称为湮灭湮灭(annihilation)(annihilation)辐射辐射。27三、电子对效应三、电子对效应l 原子核场中产生电子对效应时，入射光子的能量原子核场中产生电子对效应时，入射光子的能量h2mh2m0 0c c2 2(2m(2m0 0c c2 2=1.02 =1.02 MeVMeV) )。l 设设+ +、- -分别表示正、负电子的动能，得：分别表示正、负电子的动能，得： hh2m2m0 0c c2 2+ +- - l 式中正、负电子的动能不一定相等，其能量是从式中正、负电子的动能不一定相等，其能量是从0 0到最大值为
18、到最大值为E Ehh2mc2mc2 2的的连续能谱。28三、电子对效应三、电子对效应l实验证明，电子对质量衰减系数与原子序实验证明，电子对质量衰减系数与原子序数和光子能量的关系可表示为：数和光子能量的关系可表示为：l高能光子和高原子序数物质容易发生电子高能光子和高原子序数物质容易发生电子对效应。对效应。)ln(2hnZkm 29相干散射相干散射l 相干散射也称为经典散射或瑞利散射。相干散射也称为经典散射或瑞利散射。l 入射光子和束缚较牢固的内壳层轨道电子发生弹性散射。入射光子和束缚较牢固的内壳层轨道电子发生弹性散射。l 在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子跃迁到高能级，在此过程中，一个束缚电子
19、吸收入射光子跃迁到高能级，随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子，但随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子，但传播方向发生改变。实际上就是传播方向发生改变。实际上就是x线的折射。线的折射。l 相干散射是相干散射是X射线光子与物质相互作用中唯一射线光子与物质相互作用中唯一不产生电离不产生电离的过程。的过程。l 在整个诊断在整个诊断X射线的能量范围内都有相干散射产生，不过射线的能量范围内都有相干散射产生，不过所占比例很小，对辐射屏蔽的影响不大，但在总的衰减系所占比例很小，对辐射屏蔽的影响不大，但在总的衰减系数计算中要考虑相干散射的贡献。数计算中要考虑相干散射的贡献。 30光核反应光
20、核反应l 所谓光核反应，就是光子与原子核作用而发生的核反应。所谓光核反应，就是光子与原子核作用而发生的核反应。l 这是一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和这是一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和光子的作用过程。光子的作用过程。l 对不同物质只有当光子能量大于该物质发生核反应的阈对不同物质只有当光子能量大于该物质发生核反应的阈能时，光核反应才会发生。其发生率不足主要作用过程能时，光核反应才会发生。其发生率不足主要作用过程的的5%。因此，从入射光子能量被物质所吸收的角度考虑，。因此，从入射光子能量被物质所吸收的角度考虑，光核反应并不重要。但应注意到，某些核素在进行光核光核反应并不重
21、要。但应注意到，某些核素在进行光核反应时，不但产生中子，而且反映的产物是放射性核素。反应时，不但产生中子，而且反映的产物是放射性核素。l 光核反应在诊断光核反应在诊断X射线能量范围内不可能发生。射线能量范围内不可能发生。在医用在医用电子加速器等高能射线的放疗中发生率也很低。电子加速器等高能射线的放疗中发生率也很低。 31第二第二节节 各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率一、一、X线引发的各种效应线引发的各种效应吸收和散射吸收和散射入射入射X线线直接透过直接透过光电吸收光电吸收电子对效应电子对效应散射散射光电子光电子俄歇电子俄歇电子特征放射特征放射康普顿散射康普顿散射相干散射相干散射散射
22、光子散射光子反冲电子反冲电子正电子、电子正电子、电子湮灭辐射光子湮灭辐射光子32二、二、Z和和hv与三种基本作用的关系与三种基本作用的关系33总结总结l 在在0.010.0110MeV10MeV范围内，产生光电效应、康普顿效应和电范围内，产生光电效应、康普顿效应和电子对效应三个基本过程。子对效应三个基本过程。l 在在光子能量较低时时, ,除低除低Z Z以外的所有元素都以光电效应为主。以外的所有元素都以光电效应为主。l 光子能量在光子能量在0.84MeV时，无论时，无论Z Z多大，康普顿效应都占主导多大，康普顿效应都占主导地位。地位。l 大的大的hh处电子对效应占优势。图中的曲线表示两种相邻效处
23、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应正好相等处的Z Z和和hh值。值。l 在在2020100keV100keV的诊断的诊断X X线范围内，光电效应和康普顿效应线范围内，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。是重要的，相干散射不占主要地位，电子对效应不可能发生。34三、在诊断放射学中各种基本作用发生的相对三、在诊断放射学中各种基本作用发生的相对几率几率水、致密骨和水、致密骨和NaINaI对对2020100keV100keV的光子能量所发的光子能量所发生的各种作用的百分数。生的各种作用的百分数。35诊断放射学中作用几率与有效原子序数和能量的
24、关系诊断放射学中作用几率与有效原子序数和能量的关系X线线能量能量keV水（水（7.4）骨（骨（13.8） 碘化钠（碘化钠（49.8）光光 电电（%）康普顿康普顿（%）光光 电电（%）康普顿康普顿（%）光光 电电（%）康普顿康普顿（%）2070308911946607933169955100199991881236l 用水来说明低用水来说明低Z Z组织的情况，如空气、脂肪和肌肉。组织的情况，如空气、脂肪和肌肉。l 致密骨含有大量钙质，代表中等致密骨含有大量钙质，代表中等Z Z的物质。的物质。l 相干散射仅占相干散射仅占5%5%左右。左右。l 水中除低能光子外，康普顿散射是主要的。水中除低能光子外
25、，康普顿散射是主要的。l NaINaI的的Z Z高，主要是光电作用。高，主要是光电作用。l 骨介于水和骨介于水和NaINaI之间，低能时主要是光电作用，较之间，低能时主要是光电作用，较高能量时康普顿散射是主要的。高能量时康普顿散射是主要的。总结总结37课堂总结课堂总结l 射线在医学中的应用基础是射线与物质的相互作射线在医学中的应用基础是射线与物质的相互作用，在诊断用，在诊断X X线能量范围内，光电效应、康普顿线能量范围内，光电效应、康普顿效应所占比例最大。效应所占比例最大。l 光电效应对低能光子对高光电效应对低能光子对高Z Z吸收物质，是主要作吸收物质，是主要作用形式，它能使照片产生很好对比度
26、，但会增加用形式，它能使照片产生很好对比度，但会增加被检者的被检者的X X线剂量。线剂量。l 康普顿效应是康普顿效应是X X线在人体内最常发生的作用，是线在人体内最常发生的作用，是X X线诊断中散射线的最主要来源。散射线增加了照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。使被检者的受照剂量较低。38课堂测评课堂测评l 1不是光电效应的产物的是不是光电效应的产物的是 l A光电子光电子 B正离子正离子 C特征辐射特征辐射 l D俄歇电子俄歇电子 E轫致辐射轫致辐射 l 2.关于光电效应的发生
27、几率正确的是关于光电效应的发生几率正确的是l A和管电流成正比和管电流成正比l B 和原子序数的四次方成反比和原子序数的四次方成反比l C和原子序数的三次方成正比和原子序数的三次方成正比l D大约和能量的四次方成正比大约和能量的四次方成正比 l E大约和能量的三次方成反比大约和能量的三次方成反比l EE39l 3在诊断在诊断X线能量范围内，错误的是线能量范围内，错误的是 l A不发生电子对效应不发生电子对效应 B不发生光核反应不发生光核反应 l C相干散射不产生电离过程相干散射不产生电离过程 l D康普顿效应产生的几率与能量成反比康普顿效应产生的几率与能量成反比 l E光电效应产生的几率与能量
28、成正比光电效应产生的几率与能量成正比l 4关于康普顿效应的发生几率错误的是关于康普顿效应的发生几率错误的是 l A与物质的原子序数成正比与物质的原子序数成正比 l B与入射光子的频率成反比与入射光子的频率成反比 l C与入射光子的能量成反比与入射光子的能量成反比 l D与入射光子的波长成正比与入射光子的波长成正比 l E与入射光子的频率成正比与入射光子的频率成正比 EE40l 5关于电子对效应的发生几率正确的是关于电子对效应的发生几率正确的是 l A与物质的原子序数的平方成反比与物质的原子序数的平方成反比 l B与入射光子的能量成正比与入射光子的能量成正比 l C与入射光子的波长成正比与入射光
29、子的波长成正比 l D与单位体积内的原子个数成反比与单位体积内的原子个数成反比 l E与物质的原子序数的平方成正比与物质的原子序数的平方成正比l 6产生了特征产生了特征X射线现象的是射线现象的是 l A光核反应光核反应 B电子对效应电子对效应 C康普顿效应康普顿效应 D相干散射相干散射 E光电效应光电效应l 7散射线主要产生于散射线主要产生于 l A汤姆逊效应汤姆逊效应 B光电效应光电效应 C电子对效应电子对效应 D光核效应光核效应 E康普顿效应康普顿效应EEE41l 9诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个方面进行评诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个方面进行评价，有利的方面是价，有利的方面是
30、 l A不产生散射线，大大减少了照片的灰雾不产生散射线，大大减少了照片的灰雾 l B可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别 C可产生高对比度的可产生高对比度的X射线照片射线照片 l D钼靶乳腺钼靶乳腺X射线摄影，就是利用低能射线摄影，就是利用低能X射线在软组织中射线在软组织中因光电吸收的明显差别产生高对比度照片的因光电吸收的明显差别产生高对比度照片的 l E以上都是以上都是 E42l 10下列描述正确的是下列描述正确的是 l A入射入射X射线通过光电效应可全部被人体吸收射线通过光电效应可全部被人体吸收 l B增加了受检者的剂量增加了受检者的剂量 l
31、 C从全面质量管理观点讲，应尽量减少每次从全面质量管理观点讲，应尽量减少每次X射线检查射线检查的剂量，应设法减少光电效应的发生的剂量，应设法减少光电效应的发生 l D由于光电效应发生概率与光子能量由于光电效应发生概率与光子能量3次方成反比，利次方成反比，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，在乳腺降低剂量的目的。不过，在乳腺X射线摄影中，要注意平射线摄影中，要注意平衡对比度和剂量之间的矛盾。衡对比度和剂量之间的矛盾。 l E以上都对以上都对E43课后作业课后作业l X射线光子与物质发生相互作用的作用过程是能量
32、传递的射线光子与物质发生相互作用的作用过程是能量传递的过程。当入射光子的能量取值不同时，发生的作用形式是过程。当入射光子的能量取值不同时，发生的作用形式是不同的。不同的。l 1光电效应的发生条件是光电效应的发生条件是l A人射光子能量与轨道电子结合能必须是接近相等人射光子能量与轨道电子结合能必须是接近相等l B入射光子能量远远小于轨道电子结合能入射光子能量远远小于轨道电子结合能l C入射光子能量远远大于轨道电子结合能入射光子能量远远大于轨道电子结合能l D入射光子能量稍小于轨道电子结合能入射光子能量稍小于轨道电子结合能l E入射光子能量与外层轨道电子结合能相等入射光子能量与外层轨道电子结合能相等44l 2当入射光子能量远远大于原子外层轨道电子的结合能当入射光子能量远远大于原子外层轨道电子的结合能时发生时发生l l A相干散射相干散射 B光电效应光电效应 C康普顿效应康普顿效应l D电子对效应电子对效应E光核作用光核作用l l 3当入射光子能量等于或大于当入射光子能量等于或大于102MeV时可以出现时可以出现l A相干散射相干散射 B光电效应光电效应 C康普顿效应康普顿效应l D电子对效应电子对效应 E光核作用光核作用
