X(或γ)射線與物質相互作用1X線與物質的相互作用第1頁原子核外電子因與外界相互作用取得足夠能量，擺脫原子查對它束縛，造成原子電離。電離是由含有足夠動能帶電粒子，如電子、質子、α粒子，與原子中電子碰撞引發。原子核外電子受原子核束縛不一樣，帶電粒子必須含有大于原子核外殼層電子束縛能量，才能使物質原子電離。2X線與物質的相互作用第2頁不帶電粒子，如光子、中子等，本身不能使物質電離，但借助它們與原子殼層電子或原子核作用產生次級粒子，如電子、反沖核等，隨即在與物質中原子作用，引發原子電離。由帶電粒子經過碰撞直接引發物質原子或分子電離稱為直接電離，這些帶電粒子稱為直接電離粒子。不帶電粒子經過它們與物質相互作用產生帶電粒子引發原子電離，稱為間接電離。這些不帶電粒子稱為間接電離粒子。3X線與物質的相互作用第3頁由直接電離粒子或間接電離粒子、或二者混合組成輻射成為電離輻射。另外，有些輻射如紅外線、可見光、微波等電磁波以及低能粒子，因為其能量低，不能引發物質原子電離，成為非電離輻射。4X線與物質的相互作用第4頁輻射類型Directlyionizingradiation

electronsprotonsα-particlesotherheavychargedparticleIndirectlyionizingradiationunchargedparticlessuchasneutronandphotons5X線與物質的相互作用第5頁電離輻射與物質相互作用是X射線成像物理基礎和電離輻射劑量學基礎。6X線與物質的相互作用第6頁帶電粒子與物質相互作用主要方式含有一定能量帶電粒子入射到靶物質中，與物質原子發生作用，作用主要方式有①與核外電子發生非彈性碰撞；②與原子核發生非彈性碰撞；③與原子核發生彈性碰撞；④與原子核發生核反應。7X線與物質的相互作用第7頁8X線與物質的相互作用第8頁X線與物質相互作用X線與物質作用都是和原子發生作用。X線在物質中可引發物理、化學和生物各種效應。當X光子進入生物組織后，與體內某個電子相互作用，形成高速電子和散射線。高速電子經過組織時，與原子相互作用，使其電離或激發，產生化學改變和生物損傷；在被吸收能量中，97％轉變為熱能，3%能量以引發化學改變形式積蓄起來。9X線與物質的相互作用第9頁X線與物質相互作用高速電子還能夠發生輻射性碰撞而產生韌致輻射，韌致輻射線與散射線又象原射線一樣繼續與物質原子作用。平均30次左右相互作用，一個入射光子全部能量都轉移給電子。X光子進入生物組織后，光子能量在其中轉移、吸收，最終引發生物效應。10X線與物質的相互作用第10頁X線與物質相互作用X線在物質中可能與原子電子、原子核、帶電粒子電場以及原子核介子場發生相互作用，作用結果可能發生光子吸收、彈性散射和非彈性散射。吸收時光子能量全部變為其它形式能量；彈性散射僅改變輻射傳輸方向，非彈性散射改變輻射方向，也部分地吸收光子能量。11X線與物質的相互作用第11頁X射線與物質相互作用X射線與物質相互作用主要過程包含：光電效應

(photoelectriceffect)康普頓效應(Comptoneffect)電子對效應(electronicpaireffect）三種主要過程損失能量絕大部分。其它次要過程有相干散射、光核反應等。12X線與物質的相互作用第12頁總結hv<Ei相干散射hv≥

Ei光電效應hv>>Ei康普敦效應hv≥2mec2電子對效應hv很高光核反應總質量減弱系數13X線與物質的相互作用第13頁吸收和散射入射X線直接透過光電吸收電子對效應散射光電子俄歇電子特征放射康普頓散射相干散射散射光子反沖電子正電子、電子湮滅輻射光子14X線與物質的相互作用第14頁總結15X線與物質的相互作用第15頁總結①在0.01～10MeV范圍內，產生光電效應、康普頓效應和電子對效應三個基本過程。在光子能量較低時,除低Z以外全部元素都以光電效應為主。光子能量在0.8～4MeV時，不論Z多大，康普頓效應都占主導地位。大hν處電子對效應占優勢。圖中曲線表示兩種相鄰效應恰好相等處Z和hν值。②在20～100keV診療X線范圍內，光電效應和康普頓效應是主要，相干散射不占主要地位，電子對效應不可能發生。16X線與物質的相互作用第16頁總結水、致密骨和NaI對20～100keV光子能量所發生各種作用百分數。17X線與物質的相互作用第17頁診療放射學中作用幾率與有效原子序數和能量關系X線能量keV水（7.4）骨（13.8）碘化鈉（49.8）光電（%）康普頓（%）光電（%）康普頓（%）光電（%）康普頓（%）2070308911946607933169955100199991881218X線與物質的相互作用第18頁總結用水來說明低Z組織情況，如空氣、脂肪和肌肉。致密骨含有大量鈣質，代表中等Z物質。相干散射僅占5%左右。水中除低能光子外，康普頓散射是主要。NaIZ高，主要是光電作用。骨介于水和NaI之間，低能時主要是光電作用，較高能量時康普頓散射是主要。19X線與物質的相互作用第19頁總結對Z較低軟組織，在射線能量很低時光電效應為主；放射攝影中慣用鉬靶X線機產生低能X線攝片，是為了增加光電效應幾率使照片對比度提升。低能光子對高Z吸收物質，光電效應是主要作用形式，它能使照片產生很好對比度，但會增加被檢者X線劑量?？灯疹D效應是X線在人體內最常發生作用，是X線診療中散射線最主要起源。散射線增加了照片灰霧，降低了對比度，但它與光電效應相比使被檢者受照劑量較低。20X線與物質的相互作用第20頁21X線與物質的相互作用第21頁光電效應光電效應概念發生幾率光電效應中特征輻射光電子角分布怎樣評價診療放射學中光電效應22X線與物質的相互作用第22頁1.光電效應概念能量為hν光子經過物質時與原子內層電子相互作用，將全部能量交給電子，取得能量電子擺脫原子核束縛成為自由電子(光電子)，光子本身被原子吸收作用過程稱為光電效應。23X線與物質的相互作用第23頁1.光電效應概念放出光電子原子所處狀態是不穩定，其電子空位很快被外層電子躍入填充，隨即發出特征X線光子。特征X線在離開原子之前，又將外層電子擊脫，稱為“俄歇電子”。在人體組織中特征X射線和俄歇電子能量低于0.5keV，這些低能光子和電子很快被周圍組織吸收。24X線與物質的相互作用第24頁1.光電效應概念光電效應實質是什么呢？物質吸收X射線使其產生電離過程。由能量守恒定律知，發生光電效應時，入射X射線光子能量hν和光電子動能Ee滿足關系：式中EB為原子第i層電子結合能，與原子序數和殼層數相關。25X線與物質的相互作用第25頁例題：用能量為5eV光子照射某種金屬，產生光電子最大初動能為2.3eV，用能量為10eV光子照射該金屬，產生光電子最大初動能為多大?26X線與物質的相互作用第26頁1.光電效應概念光電效應產生：①負離子(光電子、俄歇電子)；②正離子(丟失電子原子)；③新光子（特征輻射）27X線與物質的相互作用第27頁2.發生幾率①入射光子必須有克服軌道電子結合能足夠能量。碘K電子結合能33.2keV，若光子能量是33keV，就不能擊脫該電子，但可擊脫M或L層電子。②光子能量≥電子結合能輕易發生光電效應。如一個34keV光子比100keV光子更輕易與碘K層電子發生作用。光子能量愈大光電效應發生幾率快速減小。28X線與物質的相互作用第28頁2.發生幾率③軌道電子與原子核結合得愈緊密，就愈輕易發生光電效應。高Z物質，軌道電子結合能較大，不但K層而且其它殼層上電子也較輕易發生光電效應。低Z物質，只有K電子結合能較大，所以光電效應幾乎都發生在K層。29X線與物質的相互作用第29頁2.發生幾率④由原子內層脫出光電子幾率比由外層脫出光電子幾率要大得多。若入射光子能量大于K電子結合能，則光電效應發生在K層幾率占80％，比L層高出4～5倍。30X線與物質的相互作用第30頁2．發生幾率若X射線光子經過單位距離吸收物質時，因光電效應而造成衰減稱為光電線性衰減系數，用符號“μτ”表示；而光電質量衰減系數，用符號“μτ/ρ”表示。試驗和理論都準確地證實光電質量衰減系數與原子序數、光子能量之間關系可表示為：式中n是原子序數函數，對低原子序數材料n近似取4，對高原子序數材料n近似取4.8

31X線與物質的相互作用第31頁吸收限32X線與物質的相互作用第32頁2．發生幾率光電效應概率在光子能量等于K、L、M電子結合能時發生突然跳變，概率最大。光電效應概率尤其大地方稱為吸收限。33X線與物質的相互作用第33頁3．光電效應中特征輻射X線管中擊脫軌道電子是陰極飛來高速電子，光電效應中是X線光子，結果是造成電子空位，產生特征輻射。34X線與物質的相互作用第34頁3．光電效應中特征輻射X線光子把碘K電子擊脫，造成一個K空位時，普通情況下都是鄰近殼層電子躍入填充其空位。L電子躍入填充時產生能量為28.3keV光子輻射(33.2－4.9＝28.3keV)；L空位由M電子躍入填充時放出一個4.3keV能量光子(4.9－0.6＝4.3keV)，一直繼續下去，直到33.2keV能量全部轉換為光能為止。K空位也可由外來自由電子落入填充，這時將放出一個33.2keV光子，這是碘最大能量特征輻射。35X線與物質的相互作用第35頁3．光電效應中特征輻射Ca是人體內Z最高主要元素，它K特征輻射只有4keV，遠小于X線光子能量，在其發生后點幾毫米之內就被吸收了。人體內其它元素特征輻射能量更小(0.5keV)。人體各組織由X線照射所產生光電效應特征輻射將全被組織吸收。36X線與物質的相互作用第36頁4．光電子角分布單位立體角內放出光電子角度分布由下式決定：式中，θ是X射線光子入射方向與光電子出射之夾角；β是光電子速度與光速之比。37X線與物質的相互作用第37頁38X線與物質的相互作用第38頁4．光電子角分布光電子角分布與光子能量相關，當光子能量很低時，光電子與入射方向成90°角射出幾率最大。伴隨光子能量增加，光電子分布逐步傾向于前方（入射方向）。39X線與物質的相互作用第39頁5．診療放射學中光電效應診療放射學中光電效應，可從利弊兩個方面進行評價。光電效應能產生質量好照片影像，原因：①不產生散射線，降低照片灰霧；②增加人體不一樣組織和造影劑對射線吸收差異，產生高對比度X射線照片。有害方面是，入射X射線經過光電效應可全部被人體吸收，增加了受檢者劑量。40X線與物質的相互作用第40頁5．診療放射學中光電效應從被檢者接收X射線劑量看光電效應是很有害。被檢者從光電效應中接收X線劑量比其它任何作用都多。一個入射光子能量經過光電作用全部被人體吸收，在康普頓散射中被檢者只吸收入射光子能量一小部分。從全方面質量管理觀點講，應盡可能降低每次X射線檢驗劑量。41X線與物質的相互作用第41頁5．診療放射學中光電效應為此，應設法降低光電效應發生。因為光電效應發生概率與光子能量3次方成反比，利用這個特征在實際工作中采取高千伏攝影技術，從而到達降低劑量目標。不過，在乳腺X射線攝影中，要注意平衡對比度和劑量之間矛盾。42X線與物質的相互作用第42頁二、康普頓效應作用過程散射光子及反沖電子散射光子及反沖電子角分布作用幾率診療放射學中康普頓效應發覺意義43X線與物質的相互作用第43頁二、康普頓效應44X線與物質的相互作用第44頁1.作用過程當能量為hν光子與原子外層軌道電子相互作用時，光子交給軌道電子部分能量后，其頻率發生改變并與入射方向成φ角散射(康普頓散射光子)，取得足夠能量軌道電子則脫離原子與光子入射方向成θ角方向射出(康普頓反沖電子)?？灯疹D發覺，簡稱康普頓效應或康普頓散射。45X線與物質的相互作用第45頁1.作用過程康普頓效應產生：①反沖電子，反沖角度θ②散射光子，散射角度φ，頻率ν′46X線與物質的相互作用第46頁2．反沖電子及散射光子只有入射光子能量遠遠超出電子在原子中結合能(約10000倍)時，才輕易發生康普頓效應。實際常忽略軌道電子結合能，把康普頓效應看成是入射光子與自由電子碰撞。象兩個球碰撞(入射光子，自由電子)，碰撞時若光子從電子邊上擦過，偏轉角度很小，反沖電子取得能量也很小，散射光子保留了絕大部分能量；假如碰撞更直接些，光子偏轉角度增大，損失能量增多；正向碰撞時，反沖電子取得能量最多，這時被反向折回散射光子仍保留一定能量。47X線與物質的相互作用第47頁2．反沖電子及散射光子48X線與物質的相互作用第48頁2．反沖電子及散射光子矢量圖表示在康普頓散射中和入射光子方向成不一樣角度散射光子與反沖電子能量分配特征。hν為入射光子能量，而hν1、hν2……為不一樣角度散射光子能量。數字1、2……10標出矢量是在光子散射時生成反沖電子動能。光子可在0～180°整個空間范圍內散射，反沖電子飛出角度不超出90°。49X線與物質的相互作用第49頁2．反沖電子及散射光子散射光子能量和反沖電子動能T：50X線與物質的相互作用第50頁當偏轉角為0°時，散射光子能量最大，反沖電子動能為零，這表明，在這種情況下，入射X射線光子從電子旁擦過，它能量沒有損失。當偏轉角為180°時，散射光子能量最小，對應地反沖電子動能最大。51X線與物質的相互作用第51頁2．反沖電子及散射光子散射光子能量隨散射角增大而減小，可得出康普頓散射中光子波長改變為：表明對于給定散射角，光子波長改變與入射光子能量無關。52X線與物質的相互作用第52頁2．反沖電子及散射光子表2-4各種偏轉角度下散射光子能量入射光子能量散射光子能量(keV)(keV)30°60°90°180°25 24.924.424 235049.647.846 427574.3 70 66 58100 98.591 8472150 146 131 1169553X線與物質的相互作用第53頁2．反沖電子及散射光子從表中數據看出，在康普頓散射中，散射光子仍保留了大部分能量，傳遞給反沖電子能量是極少。小角度偏轉光子，幾乎仍保留其全部能量。這會產生小角度散射線不可防止地要抵達膠片產生灰霧而降低照片質量。原因是散射線能量大，濾過板不能將它濾除；因為它偏轉角度小，所以也不能用濾線柵把它從有用線束中去掉。54X線與物質的相互作用第54頁例題若一能量為20keV光子與物質發生康普頓散射，則反沖電子取得最大能量是多少？實際上當光子波長改變最大時，轉移給電子能量最大。當偏轉角為180°時，最大改變波長為55X線與物質的相互作用第55頁在180°方向上散射光子波長為

散射光子能量為20keV光子波長為56X線與物質的相互作用第56頁這么，反沖電子能量Ek為經過此題深入說明了，當低能光子經歷康普頓作用時，入射光子大部分能量被散射光子帶走，反沖電子僅取得極少能量。57X線與物質的相互作用第57頁3．散射光子和反沖電子角分布康普頓散射光子角分布，強烈地依賴于入射光子能量。對0.1MeV低能光子產生散射光子對稱于90°角分布，伴隨光子能量增加，散射光子趨于前方。從曲線上一點到作用點距離表示在該方向上散射線強度。假如以X線入射方向為軸旋轉一周就成為散射線強度空間分布圖。58X線與物質的相互作用第58頁3.康普頓散射光子和反沖電子角分布59X線與物質的相互作用第59頁3.康普頓散射光子和反沖電子角分布60X線與物質的相互作用第60頁4.作用幾率試驗和理論都能夠準確證實康普頓質量衰減系數表示式為式中c2=c1N0是另一個常數。61X線與物質的相互作用第61頁4.作用幾率若X射線光子經過單位距離吸收物質時，因康普頓效應而造成衰減稱為康普頓線性衰減系數，用符號“μσ”表示；而康普頓質量衰減系數，用符號“μσ/ρ”表示。試驗和理論都準確地證實康普頓質量衰減系數與入射光子能量之間關系可表示為：62X線與物質的相互作用第62頁4.作用幾率伴隨入射光子能量增加，光電效應發生概率下降，康普頓效應發生概率相對提升，在醫學影像上表現是骨骼與軟組織對比度下降。63X線與物質的相互作用第63頁4.作用幾率既然康普頓效應包括是吸收物質中自由電子，那么康普頓效應發生概率與原子序數Z無關，僅與物質每克電子數相關。因為全部物質每克電子數()均十分靠近（氫除外），故全部物質康普頓質量衰減系數幾乎相同。64X線與物質的相互作用第64頁物質密度(kf/m3)有效原子序數ρe(×1023電子數/g)氫8988×10-515.97碳225063.01氧1.42983.01鋁2.699×103132.9鉛1.136×104822.38空氣1.2937.783.01水1×1037.423.34肌肉1.04×1037.643.31脂肪9.16×1026.463.34骨1.65×10313.83.1965X線與物質的相互作用第65頁5.診療放射學中康普頓效應康普頓效應中產生散射線是輻射防護中必須引發注意問題。在X射線診療中，從受檢者身上產生散射線其能量與原射線相差極少，而且散射線比較對稱地分布在整個空間，這個事實必須引發醫生和技術人員重視，并采取對應防護辦法。另外，散射線增加了照片灰霧，降低了影像對比度，但與光電效應相比受檢者劑量較低。66X線與物質的相互作用第66頁6.發覺意義康普頓效應和光電效應都為光粒子性提供了令人信服證據。然而，康普頓效應比光電效應更前進了一步，因為在解釋康普頓效應時不但要考慮能量守恒，還要考慮動量守恒。這個效應既說明了光粒子性，也必須認可光波動性，由此它為光波粒二象性及德布羅意物質波假說提供了更完全證據。康普頓效應宣告于1923年，確證于1926年，1927年即取得諾貝爾物理學獎，說明這一結果影響之大，有些人甚至把康普頓效應看成是物理學轉折點之一。

67X線與物質的相互作用第67頁三、電子對效應68X線與物質的相互作用第68頁69X線與物質的相互作用第69頁三、電子對效應概念：在原子核場或原子電子場中，一個入射光子突然消失而轉化為一對正、負電子。正電子與電子質量相等，所帶電量相等，性質相反。正電子與電子一樣，在物質中因為電離或激發逐步耗盡其動能。慢化正電子在停頓前一剎那，很快與物質中自由電子復合，隨即向相反方面射出兩個能量各為0.511MeV光子，這個現象稱為湮滅(annihilation)輻射。70X線與物質的相互作用第70頁三、電子對效應原子核場中產生電子對效應時，入射光子能量h≥