第一节线与物质的相互作用

第一节线与物质的相互作用第1页，课件共32页，创作于2023年2月第一节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。第2页，课件共32页，创作于2023年2月第一节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。第3页，课件共32页，创作于2023年2月第一节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。第4页，课件共32页，创作于2023年2月第一节X线与物质的相互作用X射线与物质相互作用的主要过程包括：光电效应

(photoelectriceffect)康普顿效应(Comptoneffect)电子对效应(electronicpaireffect)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。第5页，课件共32页，创作于2023年2月*一、光电效应*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。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”。第6页，课件共32页，创作于2023年2月*一、光电效应＊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特征辐射。第7页，课件共32页，创作于2023年2月*一、光电效应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。光电效应的几率：

光电效应几率∝

光子能量加倍，光电效应的发生几率减少到原来的1/8。第8页，课件共32页，创作于2023年2月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。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。

光电效应几率∝Z4

第9页，课件共32页，创作于2023年2月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。第10页，课件共32页，创作于2023年2月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。第11页，课件共32页，创作于2023年2月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4keV，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(0.5keV)。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。第12页，课件共32页，创作于2023年2月*4．诊断放射学中的光电效应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可增强天然组织的对比度(contrast)。由于人体的一些组织比其它组织能吸收更多的射线，这样产生了X线影像的对比度。邻近组织吸收X线的差别愈大，对比度愈高。由于光电效应的发生几率与Z4成正比，所以光电效应能增大不同元素所构成组织间吸收X线的差别(如骨和软组织)。第13页，课件共32页，创作于2023年2月*4．诊断放射学中的光电效应从被检者接收X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能量的一小部分。尽量减少或避免辐射对人体的伤害，应设法减少光电效应的发生。实际工作中可采用高kV照像技术，减少光电效应的发生几率，保护被检者。第14页，课件共32页，创作于2023年2月5．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）。第15页，课件共32页，创作于2023年2月*二、康普顿效应*1．概念

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φ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)

。康普顿和吴有训首先发现，称康普顿-吴有训效应，简称康普顿效应或康普顿散射。第16页，课件共32页，创作于2023年2月*1．康普顿效应康普顿效应产成：①反冲电子，反冲角度θ②散射光子，散射角度φ，频率ν′第17页，课件共32页，创作于2023年2月2．反冲电子及散射光子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。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。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射光子仍保留一定的能量。第18页，课件共32页，创作于2023年2月2．反冲电子及散射光子第19页，课件共32页，创作于2023年2月2．反冲电子及散射光子矢量图表示在康普顿散射中和入射光子方向成不同角度的散射光子与反冲电子能量分配的特性。hν为入射光子能量，而hν1、hν2

……为不同角度散射的光子能量。数字1、2……10标出的矢量是在光子散射时生成反冲电子的动能。光子可在0～180°的整个空间范围内散射，反冲电子飞出的角度不超过90°。散射光子的能量随散射角增大而减小，可得出康普顿散射中光子波长的改变为：第20页，课件共32页，创作于2023年2月2．反冲电子及散射光子λ为入射光子的波长；λ′为散射光子的波长；为光子的散射角。表明对于给定的散射角，光子波长的改变与入射光子的能量有关。由于入射光子的能量分配给了散射光子和反冲电子，因此，康普顿反冲电子的能量等于入射光子和散射光子的能量之差，即：

E＝hν－hν′=第21页，课件共32页，创作于2023年2月2．反冲电子及散射光子表2-4各种偏转角度下散射光子的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 11695第22页，课件共32页，创作于2023年2月2．反冲电子及散射光子从表中数据看出，在康普顿散射中，散射光子仍保留了大部分的能量，传递给反冲电子的能量是很少的。小角度偏转的光子，几乎仍保留其全部能量。这会产生小角度的散射线不可避免地要到达胶片产生灰雾而降低照片的质量。原因是散射线的能量大，滤过板不能将它滤除；由于它的偏转角度小，所以也不能用滤线栅把它从有用线束中去掉。第23页，课件共32页，创作于2023年2月3．散射光子和反冲电子的角分布康普顿散射光子的角分布，强烈地依赖于入射光子的能量。对0.1MeV的低能光子产生的散射光子对称于90°角分布，随着光子能量的增加，散射光子趋于前方。从曲线上一点到作用点的距离表示在该方向上散射线的强度。如果以X线的入射方向为轴旋转一周就成为散射线强度的空间分布图。第24页，课件共32页，创作于2023年2月3．散射光子和反冲电子的角分布康普顿效应产生的散射线是辐射防护中必须注意的问题。X线诊断过程中从病人身上产生的散射线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，必须引起重视。第25页，课件共32页，创作于2023年2月三、电子对效应概念：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。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激发逐渐耗尽其动能。慢化的正电子在停止前的一刹那，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各为0.51MeV的光子(图2-26)，这个现象称为湮灭(annihilation)辐射。第26页，课件共32页，创作于2023年2月第27页，课件共32页，创作于2023年2月三、电子对效应原子核场中产生电子对效应时，入射光子的能量h≥2mc2(2mc2=1.02MeV)。原子的电子场中，入射光子的能量h≥4mc2(4mc2＝2.04MeV)。电子对效应在原子核场中发生的几率，远大于在电子场中发生的几率。设ε+、ε-分别表示正、负电子的动能，得：hν＝2mc2＋ε+＋ε-

式中正、负电子的动能不一定相等，其能量是从0到最大值为E＝hν－2mc2的连续能谱。第28页，课件共32页，创作于2023年2月三、电子对效应电子对效应中，入射光子的能量一部分转化为正、负电子的动能，其份额为(1－2mc2/hν)，另一部分转化为正、负电子的静止能，为2mc2/hν。发生几率与Z2成正比，近似地与光子能量的对数成正比。虽然正、负电子在耗尽其动能之前也会发生湮灭辐射，但发生的几率很小。第29页，课件共32页，创作于2023年2月四、三个基本效应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。第30页，课件共32页，创作于2023年2月四、三个基本效应光子能量在0.8～4MeV时，无论Z多大，康普顿效应都占主导地位。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。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20～100k