1、第四章第四章 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用潞河医院放射科潞河医院放射科 王珍琦王珍琦第一节第一节 概述概述 组成组成X射线的粒子统称为光子，光子自身不射线的粒子统称为光子，光子自身不带电。带电。X（或（或）射线都是电磁波。）射线都是电磁波。X和和在电磁辐射能谱中所占范围基本相同，在电磁辐射能谱中所占范围基本相同，仅仅是来源不同。仅仅是来源不同。射线是从原子核衰变中射线是从原子核衰变中放射出来的，而放射出来的，而X线则是高速电子与物质核线则是高速电子与物质核外电子相互作用的结果。外电子相互作用的结果。第一节第一节 概述概述 研究射线通过物质时与物质发生相互作用，研究射线通过物质时与
2、物质发生相互作用，可以了解射线的性质、射线产生的物理过可以了解射线的性质、射线产生的物理过程及射线对物质的影响。程及射线对物质的影响。也是进行射线探测、防护和应用的重要基也是进行射线探测、防护和应用的重要基础。础。第一节第一节 概述概述 X线通过物质时，小部分从物质的原子间线通过物质时，小部分从物质的原子间隙中穿过，大部分被吸收和散射，从而产隙中穿过，大部分被吸收和散射，从而产生各种的物理的、化学的及生物的效应。生各种的物理的、化学的及生物的效应。这些效应的产生都是物质吸收这些效应的产生都是物质吸收X线能的结线能的结果。果。第一节第一节 概述概述 下图示：下图示：X线光子进入生物组织后，光子能
3、线光子进入生物组织后，光子能量在其中的转移、吸收乃至最终引起生物量在其中的转移、吸收乃至最终引起生物效应的大概过程。效应的大概过程。光子光子 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 高速电子高速电子韧致辐射韧致辐射 电离电离 激发激发 热热 物化阶段物化阶段 生化阶段生化阶段 生物损伤生物损伤X X线光子进线光子进入生物组织入生物组织电子沿径迹电子沿径迹损失能量损失能量第一节第一节 概述概述一、一、X线与物质相互作用的几率线与物质相互作用的几率 由于入射光子与物质中的粒子（也称靶粒由于入射光子与物质中的粒子（也称靶粒子子、靶核）相互作用，可以认为一个入射、靶核）相互作用，
4、可以认为一个入射光子与靶粒子发生相互作用，这个入射光光子与靶粒子发生相互作用，这个入射光子或者消失，或者偏离原来的运动方向，子或者消失，或者偏离原来的运动方向，造成出射线束强度的减弱。造成出射线束强度的减弱。第一节第一节 概述概述 常被称为作用几率常被称为作用几率 =NB/N 它表示射线通过物质层面它表示射线通过物质层面x时，一个入射时，一个入射光子与物质中光子与物质中NB个靶核相互作用的几率（个靶核相互作用的几率（N表示入射光子数）。显然，作用几率表示入射光子数）。显然，作用几率与射与射线通过物质上的靶粒子数线通过物质上的靶粒子数NB成正比。成正比。第一节第一节 概述概述 作用几率作用几率也
5、可用入射束通过物质前后的强也可用入射束通过物质前后的强度变化来表示。度变化来表示。=I0I/I0=I/I0 ：作用几率；：作用几率；I0：入射强度；：入射强度；I：出射时的强度。：出射时的强度。因入射光子通过物质时将与物质粒子发生因入射光子通过物质时将与物质粒子发生相互作用，使出射束的强度减弱。相互作用，使出射束的强度减弱。II0第一节第一节 概述概述二、射线的衰减二、射线的衰减一）一）.线衰减系数线衰减系数 是让光子束入射到厚度可变的物体上，探是让光子束入射到厚度可变的物体上，探测器放在距射线源测器放在距射线源固定的距离固定的距离上。上。此距离要保证在探测器上仅能测到原始光子（穿过吸收此距离
6、要保证在探测器上仅能测到原始光子（穿过吸收体没有发生相互作用的光子），由吸收体产生的散射光体没有发生相互作用的光子），由吸收体产生的散射光子在这种安排中假定探测不到。子在这种安排中假定探测不到。第一节第一节 概述概述入射光子束入射光子束厚度厚度散射光子散射光子散射光子散射光子探测器探测器衰减后的原射线衰减后的原射线靶物质靶物质单能平行射线光子束被物质衰减示意图单能平行射线光子束被物质衰减示意图第一节第一节 概述概述 当当X线通过物体时，射线不是被吸收就线通过物体时，射线不是被吸收就被散射，此现象称为被散射，此现象称为X线衰减或减弱。线衰减或减弱。第一节第一节 概述概述 是比例常数，称为线衰减系
7、数。是比例常数，称为线衰减系数。-：与物质发生相互作用的光子数；：与物质发生相互作用的光子数；：吸收体的厚度；：吸收体的厚度；：入射光子数。：入射光子数。（负号表示随吸收体厚度的增加光子数减少）（负号表示随吸收体厚度的增加光子数减少）第一节第一节 概述概述因为每秒钟通过单位面积的光子数决定因为每秒钟通过单位面积的光子数决定X线线的强度，故而的强度，故而 -可见，可见，线衰减系数线衰减系数还可理解为，当还可理解为，当X线穿线穿过单位厚度的物质层时，其强度衰减的分过单位厚度的物质层时，其强度衰减的分数值。数值。第一节第一节 概述概述 表示表示X射线光子与每单位厚度物质发射线光子与每单位厚度物质发生
8、相互作用的概率，称为线性衰减系数，生相互作用的概率，称为线性衰减系数，单位是单位是m-1或或cm-1。第一节第一节 概述概述 射线通过物质的衰减是由三种主要相互作射线通过物质的衰减是由三种主要相互作用造成的，因此，总的衰减系数应近似等用造成的，因此，总的衰减系数应近似等于各主要过程的线衰减系数之和。于各主要过程的线衰减系数之和。为光电线衰减系数为光电线衰减系数 为康普顿线衰减系数为康普顿线衰减系数 为电子对线衰减系数为电子对线衰减系数第一节第一节 概述概述二）二）.质量衰减系数质量衰减系数 由于与吸收物质的密度成正比，而密度又由于与吸收物质的密度成正比，而密度又随材料的物理形态而变化，为了避开
9、这种随材料的物理形态而变化，为了避开这种与物质密度的相关性而便于应用，通常还与物质密度的相关性而便于应用，通常还采用质量衰减系数。采用质量衰减系数。m=第一节第一节 概述概述 的优点是：它的数值与物质密度的优点是：它的数值与物质密度无关，无关，也就是与物质的物理形态无关。也就是与物质的物理形态无关。例如：水、冰、水蒸气，虽然它们的密度例如：水、冰、水蒸气，虽然它们的密度和物理形态不同，但都是由水分子组成，和物理形态不同，但都是由水分子组成，其质量衰减系数其质量衰减系数相同。相同。第一节第一节 概述概述 质量衰减系数质量衰减系数表示线在穿过单位表示线在穿过单位质量厚度（质量厚度（kg*m-2）的
10、物质层时，强度）的物质层时，强度衰减的分数值。衰减的分数值。的单位是的单位是m2kg-1或或cm2g-1，两者的换算，两者的换算关系是关系是1m2kg-1=10cm2g-1。第一节第一节 概述概述 总的质量衰减系数应近似等于各主要过程总的质量衰减系数应近似等于各主要过程的质量衰减系数之和：的质量衰减系数之和：mmmm m为光电质量衰减系数为光电质量衰减系数 m为康普顿质量衰减系数为康普顿质量衰减系数 m为电子对质量衰减系数为电子对质量衰减系数第一节第一节 概述概述三、能量转移和吸收三、能量转移和吸收一）一）.能量转移系数能量转移系数1.线能量转移系数线能量转移系数2.质能转移系数质能转移系数第
11、一节第一节 概述概述1.线能量转移系数线能量转移系数 在在X线与物质相互作用的三种主要过程中，线与物质相互作用的三种主要过程中，X线光子的能量有一部分转化为电子的动线光子的能量有一部分转化为电子的动能，而另外一部分则被一些次级光子所带能，而另外一部分则被一些次级光子所带走，也就是说：走，也就是说：第一节第一节 概述概述 =tr+s tr为为X线光子能量的电子转移部分；线光子能量的电子转移部分；s为为X线光子能量的辐射转移部分。线光子能量的辐射转移部分。第一节第一节 概述概述 显然，显然，X线能量的电子转移部分应等于：线能量的电子转移部分应等于：tr=trtrtr tr称为线能量转移系数，它表示
12、称为线能量转移系数，它表示X线在物质线在物质中穿过长度距离时，由于各种相互作用，其中穿过长度距离时，由于各种相互作用，其能量转移给电子的动能占总能量的份额。能量转移给电子的动能占总能量的份额。第一节第一节 概述概述tr:线能量转移系数线能量转移系数tr,tr,tr分别为光电效应、康普顿效应和分别为光电效应、康普顿效应和电子对效应过程中能量转移为电子能量的线电子对效应过程中能量转移为电子能量的线能量转移系数。能量转移系数。第一节第一节 概述概述2.质能转移系数质能转移系数 和线性衰减系数一样，和线性衰减系数一样，tr也近似正比于吸也近似正比于吸收物质的密度收物质的密度，而，而随物质的物理状态变随
13、物质的物理状态变化。化。为避开同物质密度的相关性，常引入质能为避开同物质密度的相关性，常引入质能转移常数转移常数tr/。第一节第一节 概述概述 质能转移常数质能转移常数tr/表示，在物质中穿过质表示，在物质中穿过质量厚度为量厚度为1kg*m-2时，因相互作用其能量转时，因相互作用其能量转移给电子的份额。移给电子的份额。第一节第一节 概述概述二）二）.能量吸收系数能量吸收系数 1.线能量吸收系数线能量吸收系数 2.质能吸收系数质能吸收系数第二节第二节 X线与物质相互作用线与物质相互作用的主要过程的主要过程一、光电效应一、光电效应 光电效应又称光电吸收，它是光电效应又称光电吸收，它是X线光子线光子
14、被原子全部吸收的作用过程。被原子全部吸收的作用过程。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应一）、光电效应的产生一）、光电效应的产生 当一个能量为当一个能量为hv的光子通过物质时，它与的光子通过物质时，它与原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生相互作用，把全部能量传递给这个电子，相互作用，把全部能量传递给这个电子，而光子本身则整个被原子吸收，获得能量而光子本身则整个被原子吸收，获得能量的电子摆脱原子的束缚以速度的电子摆脱原子的束缚以速度v而自由运动，而自由运动，这种电子称为光电子，这种现象称为这种电子称为光电子，这种现象称为光电光电效应效应。X线与
15、物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应K L M N hvhv光子光子跃迁跃迁特征辐射特征辐射光电子光电子Ee=hv-EB光电效应光电效应X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 放出光电子的原子变为正离子，原子处于放出光电子的原子变为正离子，原子处于激发态，其电子空位很快被外层电子跃入激发态，其电子空位很快被外层电子跃入填充，同时放出特征填充，同时放出特征X线。线。有时，特征有时，特征X线离开原子前，有击出外层的线离开原子前，有击出外层的轨道电子，即轨道电子，即“俄歇电子俄歇电子”。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 光电效应的实质：是物质吸收光电效应的
16、实质：是物质吸收X线使其产生线使其产生电离的过程。电离的过程。在此过程中将产生的次级粒子有：光电子、在此过程中将产生的次级粒子有：光电子、正离子（产生光电子的原子）、新的光子正离子（产生光电子的原子）、新的光子（特征辐射光子）、俄歇电子。（特征辐射光子）、俄歇电子。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应二）、光电效应的发生几率二）、光电效应的发生几率 光电质量衰减系数的表达式为：光电质量衰减系数的表达式为：m=c1/AZ44 A是原子量；是原子量；Z是物质的原子序数；是物质的原子序数；C1是一个常数；是一个常数；是入射线的波长。是入射线的波长。X线与物质相互作用线与物质相互作用-
17、光电效应光电效应 光电效应的发生几率受以下几个方面的影光电效应的发生几率受以下几个方面的影响：响：1.物质原子序数的影响物质原子序数的影响 2.入射光子能量的影响入射光子能量的影响 3.原子边界限吸收的影响原子边界限吸收的影响X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应1.物质原子序数的影响物质原子序数的影响 与物质原子序数的与物质原子序数的4次方成正比，即次方成正比，即 光电效应几率光电效应几率Z4 物质的原子序数越高，光电效应发生的几物质的原子序数越高，光电效应发生的几率就越大。率就越大。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 对高原子序数物质由于结合能较大，不仅对高
18、原子序数物质由于结合能较大，不仅在在K层，其他壳层电子也易发生光电效应。层，其他壳层电子也易发生光电效应。但对于低原子序数物质几乎都发生在但对于低原子序数物质几乎都发生在K层。层。在满足光电效应的能量条件下，内层比外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层电子发生光电效应的几率可高出4-5倍。倍。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应2.入射光子能量的影响入射光子能量的影响 因为光电子的动能因为光电子的动能Ee=hv-EB，所以光电效，所以光电效应发生的能量条件是：应发生的能量条件是：入射光子的能量入射光子的能量hv必须等于或大于轨必须等于或大于轨道电
19、子的结合能道电子的结合能EB，否则就不会发生光电，否则就不会发生光电效应。效应。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 光电效应的发生几率与入射线波长的光电效应的发生几率与入射线波长的3次方次方成正比，说明与光子能量的成正比，说明与光子能量的3次方成反比，次方成反比，即：即：光电效应几率光电效应几率1/（hv）3X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应3.原子边界限吸收的影响原子边界限吸收的影响 吸收系数（光电效应发生率）一般随入射吸收系数（光电效应发生率）一般随入射光子能量的增大而降低，这就是说，波长光子能量的增大而降低，这就是说，波长较短，频率较高的射线的贯穿本领
20、强。较短，频率较高的射线的贯穿本领强。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 当入射光子能量增大到某一数值恰好等于当入射光子能量增大到某一数值恰好等于原子轨道电子结合能时，吸收系数突然增原子轨道电子结合能时，吸收系数突然增加，这些吸收突然增加处称为吸收限。加，这些吸收突然增加处称为吸收限。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 当光子能量等于原子当光子能量等于原子K结合能时，发生结合能时，发生K边界限吸收边界限吸收;等于等于L结合能时，发生结合能时，发生L边界边界限吸收；等于限吸收；等于M结合能时，发生结合能时，发生M边界限吸边界限吸收，但最重要的是结合能较大的收，
21、但最重要的是结合能较大的K边界限吸边界限吸收，因为光电效应主要发生在结合能较大收，因为光电效应主要发生在结合能较大的的K层，而发生在其它层上的机会相对较少。层，而发生在其它层上的机会相对较少。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应三）、光电效应中的特征放射三）、光电效应中的特征放射 这里讲的特征放射与这里讲的特征放射与X 线产生中的特征放射线产生中的特征放射意思完全一样，唯一区别就是意思完全一样，唯一区别就是“子弹子弹”不同。不同。在在X线管中，击脱靶原子轨道电子的是从阴线管中，击脱靶原子轨道电子的是从阴极飞来的高速电子；极飞来的高速电子；靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能
22、，只有当入射靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能，只有当入射高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造成电子高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生特征空位，产生特征X X线。线。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 在光电效应中，则是在光电效应中，则是X线光子。线光子。它们共同的作用结果，都是造成电子空位它们共同的作用结果，都是造成电子空位产生特征辐射。产生特征辐射。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 人体软组织中原子的人体软组织中原子的K结合能仅为结合能仅为0.5keV，发生光电效应时，其特征放射光子能量也发生光电效应时，其特
23、征放射光子能量也不会超过不会超过0.5keV，如此低能光子，在同一，如此低能光子，在同一细胞内就可被吸收而变为电子运动能。细胞内就可被吸收而变为电子运动能。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 人体骨骼中钙的人体骨骼中钙的K结合能为结合能为4keV，发生，发生特征辐射在零点几毫米内就会被吸收。特征辐射在零点几毫米内就会被吸收。由此可见，在人体组织内发生的光电效由此可见，在人体组织内发生的光电效应，其全部能量都将被组织吸收。应，其全部能量都将被组织吸收。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应四）、光电子的角分布四）、光电子的角分布 光电子出射的角度分布与入射光子的能
24、量光电子出射的角度分布与入射光子的能量有关。有关。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 低能时，在与入射方向成低能时，在与入射方向成70度的方向上射度的方向上射出的光电子最多；随着入射光子能量的增出的光电子最多；随着入射光子能量的增大，光电子的速度增大，越来越多的光电大，光电子的速度增大，越来越多的光电子沿入射光子的方向朝前出射。子沿入射光子的方向朝前出射。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应五）、诊断放射学中的光电效应五）、诊断放射学中的光电效应 分利弊两方面。分利弊两方面。1.弊端：入射弊端：入射X线通过光电效应可全部被人体线通过光电效应可全部被人体吸收，增
25、加了受检者的剂量。吸收，增加了受检者的剂量。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应 从现代防护观点讲，应尽量减少每次从现代防护观点讲，应尽量减少每次X线检线检查的剂量。查的剂量。光电效应几率光电效应几率1/（hv）3 可依据光电效应的发生几率与光子能量的可依据光电效应的发生几率与光子能量的3次方成反比的关系，采用高千伏摄影技术，次方成反比的关系，采用高千伏摄影技术，从而达到降低剂量的目的。从而达到降低剂量的目的。X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应2.有利的方面有利的方面 能产生质量好的照片影像。能产生质量好的照片影像。不产生散射线，大大减少了照片的灰雾；不产生散
26、射线，大大减少了照片的灰雾；可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别，产生高对比度的差别，产生高对比度的X线照片，对提高诊线照片，对提高诊断的准确性很有好处。断的准确性很有好处。X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应二、康普顿效应二、康普顿效应 康普顿效应又称康普顿散射。康普顿效应又称康普顿散射。它是射线光子能量被部分吸收而产生散射它是射线光子能量被部分吸收而产生散射线的过程。线的过程。X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应一）、康普顿效应的产生一）、康普顿效应的产生 康普顿效应是入射光子与原子中的一个外康普顿效应是入
27、射光子与原子中的一个外层层“自由自由”电子相互作用时发生的。电子相互作用时发生的。“自由自由”一次的意思是指电子一次的意思是指电子的结合能和入射光子能量相比的结合能和入射光子能量相比是很小的。是很小的。X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应 在相互作用中，光子只将一部分能量传递在相互作用中，光子只将一部分能量传递给外层电子，电子接收一定的能量后脱离给外层电子，电子接收一定的能量后脱离原子束缚，以与光子的初始入射方向成原子束缚，以与光子的初始入射方向成角角的方向射出，此电子称为反冲电子。的方向射出，此电子称为反冲电子。X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应 与
28、此同时，光子本身能量降低（即频率降与此同时，光子本身能量降低（即频率降低）并朝着与入射方向成低）并朝着与入射方向成角的方向射出，角的方向射出，此光子称为散射光子。此光子称为散射光子。X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应hv 入射光子入射光子外层电子或外层电子或自由电子自由电子反冲电子反冲电子1/2m1/2me ev v2 2散射光子散射光子hvhv 康普顿效应康普顿效应X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应二）、康普顿效应的发生几率二）、康普顿效应的发生几率康普顿质量衰减系数的表达式：康普顿质量衰减系数的表达式：m=c2 c2是一个常数；是一个常数；Z是物
29、质的原子序数；是物质的原子序数；A是原子量；是原子量；是入射线的波长。是入射线的波长。X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应1.物质原子序数的影响物质原子序数的影响 康普顿效应的发生几率与物质的原子序数康普顿效应的发生几率与物质的原子序数成正比，即：成正比，即：康普顿效应几率康普顿效应几率ZX线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应2.入射光子能量的影响入射光子能量的影响 康普顿效应发生几率与入射射线波长成正康普顿效应发生几率与入射射线波长成正比，说明与入射光子能量成反比，即：比，说明与入射光子能量成反比，即：康普顿效应几率康普顿效应几率1/hvX线与物质相互作
30、用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应 实际上，这意味着如入射光子的能量比电实际上，这意味着如入射光子的能量比电子的结合能必须大很多。子的结合能必须大很多。这与光电效应形成一个对比，当入射光子这与光电效应形成一个对比，当入射光子的能量等于或稍大于电子的结合能，光电的能量等于或稍大于电子的结合能，光电效应最可能发生。效应最可能发生。X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应 由光电效应几率由光电效应几率1/（hv）3可知，在可知，在K电电子结合能以上，随入射光子能量的增加，子结合能以上，随入射光子能量的增加，光电效应很快降低，而康普顿效应变得越光电效应很快降低，而康普顿效应变得越
31、来越重要。来越重要。X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应三）、散射光子的波长三）、散射光子的波长 在康普顿散射中，因入射光子与自由电子在康普顿散射中，因入射光子与自由电子碰撞，将一部分能量转移给自由电子，自碰撞，将一部分能量转移给自由电子，自己的能量减少，故而频率降低，波长变长，己的能量减少，故而频率降低，波长变长，增量为：增量为：X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应 =-=h（1-cos ）/m0 c m0自由电子的静止质量；自由电子的静止质量；散射角；散射角；h/m0 c=0.00243称为反冲电子的康普顿波称为反冲电子的康普顿波长。长。X线与物质相
32、互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应四）、散射光子和反冲电子的角分布四）、散射光子和反冲电子的角分布 射线束的能量处于仅发生康普顿效应的能射线束的能量处于仅发生康普顿效应的能量范围内，对量范围内，对0.1MeV低能射线产生的散射低能射线产生的散射光子近似对称于光子近似对称于90度分布，随着入射光子度分布，随着入射光子的能量的增大，散射光子的分布趋向前方。的能量的增大，散射光子的分布趋向前方。X线与物质相互作用线与物质相互作用-康普顿效应康普顿效应 随入射光子的能量的增大，反冲电子的角随入射光子的能量的增大，反冲电子的角分布同样趋向前方。分布同样趋向前方。X线与物质相互作用线与物质相互作
33、用-康普顿效应康普顿效应 康普顿效应中产生的散射线，是康普顿效应中产生的散射线，是X线检查中线检查中的散射线来源。的散射线来源。从被照射部位和其他被照物体上产生的散从被照射部位和其他被照物体上产生的散射线，充满检查室整个空间。射线，充满检查室整个空间。这一事实应引起这一事实应引起X线工作者和防护人员的重线工作者和防护人员的重视，并采取相应的防护措施。视，并采取相应的防护措施。X线与物质相互作用线与物质相互作用-电子对效应电子对效应三、电子对效应三、电子对效应一）、电子对效应的产生一）、电子对效应的产生 一个具有足够能量的光子，在与靶原子核一个具有足够能量的光子，在与靶原子核发生相互作用时，光子
34、突然消失，同时转发生相互作用时，光子突然消失，同时转化为一对正、负电子，这个作用过程称之化为一对正、负电子，这个作用过程称之为电子对效应。为电子对效应。X线与物质相互作用线与物质相互作用-电子对效应电子对效应M ML LK K+e+e慢正电子慢正电子-e入射光子入射光子hv1.02MeV0.51MeV0.51MeV光子光子 自由电子自由电子 0.51MeV 0.51MeV 光子光子电子对效应与湮灭辐射电子对效应与湮灭辐射X线与物质相互作用线与物质相互作用-电子对效应电子对效应 一个电子的静止质量能一个电子的静止质量能m0c2=0.51，一个电，一个电子对的静止质量能就应为子对的静止质量能就应为
35、1.02MeV。根据能量守恒定律，要产生电子对效应，根据能量守恒定律，要产生电子对效应，入射光子的能量就必须等于或大于入射光子的能量就必须等于或大于1.02MeV。X线与物质相互作用线与物质相互作用-电子对效应电子对效应 光子能量超过该能量值的部分就变成了正光子能量超过该能量值的部分就变成了正负电子的动能（负电子的动能（+、-）。即：）。即：hv=1.02MeV+-X线与物质相互作用线与物质相互作用-电子对效应电子对效应 正电子与负电子的静止质量相等，所带电正电子与负电子的静止质量相等，所带电量相等，但是性质相反；生成的正、负电量相等，但是性质相反；生成的正、负电子在物质中穿行，通过电离和激发
36、不断地子在物质中穿行，通过电离和激发不断地损失其自身的能量，最后慢化的正电子在损失其自身的能量，最后慢化的正电子在停止前的一瞬间与物质中的自由电子结合，停止前的一瞬间与物质中的自由电子结合，随即向相反的方向射出两个能量各为随即向相反的方向射出两个能量各为0.51MeV的光子，该作用过程称为湮灭辐的光子，该作用过程称为湮灭辐射。射。X线与物质相互作用线与物质相互作用-电子对效应电子对效应 虽然正、负电子在耗尽其动能之前也会发虽然正、负电子在耗尽其动能之前也会发生湮灭辐射，但是发生的几率很小。生湮灭辐射，但是发生的几率很小。X线与物质相互作用线与物质相互作用-电子对效应电子对效应二）、电子对效应的
37、发生几率二）、电子对效应的发生几率 电子对效应的质量衰减系数电子对效应的质量衰减系数 mnZ2hv Z是物质的原子序数；单位体积内原子个是物质的原子序数；单位体积内原子个数成正比；也近似地与光子能量的自然对数成正比；也近似地与光子能量的自然对数数hv成正比成正比。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1.X射线在物质内的传播过程中，同物质发生射线在物质内的传播过程中，同物质发生相互作用的种类有哪几种？相互作用的种类有哪几种？X X射线与物质相互作用的主要过程有：射线与物质相互作用的主要过程有：光电效应、康普顿效应、电子对效应。光电效应、康普顿效应、电子对效应。其他次要的作用过程有相干散射、
38、光其他次要的作用过程有相干散射、光核反应等。核反应等。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用2.简述光电效应的产生？简述光电效应的产生？当一个能量为当一个能量为hvhv的光子通过物质时，它与原子的某的光子通过物质时，它与原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生相互作用，把全部壳层中某个轨道上一个电子发生相互作用，把全部能量传递给这个电子，而光子本身则整个被原子吸能量传递给这个电子，而光子本身则整个被原子吸收而消失，获得能量的电子摆脱原子的束缚以速度收而消失，获得能量的电子摆脱原子的束缚以速度v v而自由运动，这种电子称为光电子，原子的电子而自由运动，这种电子称为光电子，原子的电子轨道出现一个空
39、位而处于激发态，它将通过发射标轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射标识识X X射线或俄歇电子的形式很快回到基态，这种现射线或俄歇电子的形式很快回到基态，这种现象称为象称为光电效应光电效应。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用3.光电效应的实质是什么？在此过程中产生光电效应的实质是什么？在此过程中产生的次级粒子有哪些？的次级粒子有哪些？光电效应的实光电效应的实质：是物质吸质：是物质吸收收X X线使其产生线使其产生电离的过程。电离的过程。在此过程中将产生在此过程中将产生的次级粒子有：光的次级粒子有：光电子、正离子（产电子、正离子（产生光电子的原子）、生光电子的原子）、新的光子（特征辐新
40、的光子（特征辐射光子）、俄歇电射光子）、俄歇电子。子。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用4.光电效应的特征有什么？光电效应的特征有什么？1.1.把全部的能量传递给这个电子；把全部的能量传递给这个电子；2.2.光电效应伴随有标识光电效应伴随有标识X X射线或俄歇射线或俄歇电子的产生；电子的产生；3.3.光电效应可发生在任何一个壳层，光电效应可发生在任何一个壳层，但在但在K K层发生的机率最大，层发生的机率最大，L L层次之，层次之，M M、N N层更次之。层更次之。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5.光电效应在临床中的利弊表现在哪里？光电效应在临床中的利弊表现在哪里？弊端：入射
41、弊端：入射X X线通过光线通过光电效应可全电效应可全部被人体吸部被人体吸收，增加了收，增加了受检者的剂受检者的剂量。量。能产生质量好的照片影像。能产生质量好的照片影像。不产生散射线，大大减少不产生散射线，大大减少了照片的灰雾；了照片的灰雾；可增加人体不同组织和造可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别，产影剂对射线的吸收差别，产生高对比度的生高对比度的X X线照片，对提线照片，对提高诊断的准确性很有好处。高诊断的准确性很有好处。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用6.康普顿效应的产生？康普顿效应的产生？答案：当入射答案：当入射X X射线光子和原子内一个射线光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一轨道电子发生相互作用时，光子损失一部分能量，并改变运动方向，电子获得部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子，这一过程称为康普顿能量而脱离原子，这一过程称为康普顿效应。效应。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用7.康普顿效应在临床上有何意义？康普顿效应在临床上有何意义？1.康普顿效应中产生的散射线是辐射防护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。医生和技术人员中必须引起注意的问题。医生和技术人员应进行相应的防护措施。应进行相应的防护措施。2.散射线增加了照片的灰雾，使得照片影散射线增加了照片的灰雾，使得照片影像的对比度降低。像的对比度降低。
