x線與物質(zhì)相互作用

1、第二章 放射物理基礎(chǔ)X線與物質(zhì)相互作用2021-6-151當(dāng)X-ray進(jìn)入物體時，會有三種情形發(fā)生：被物體吸收 （Absorption)產(chǎn)生散射現(xiàn)象（Scatter）穿透（Penetration） 2021-6-152 相比于電子在靶物質(zhì)中的情況，光子在物質(zhì)中： 電離 激發(fā) 生熱 碰撞損失 生物效應(yīng)2021-6-153 在各種可能的相互作用中： 光電效應(yīng)（photoelectric effect） 康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)（Compton effect） 電子對效應(yīng)（electronic pair effect） 相干散射。 相互作用的結(jié)果，是發(fā)生上述效應(yīng)，而X線光子被衰減2021-6-154一、X

2、線衰減系數(shù) 當(dāng)X線通過距離為dx的物質(zhì)時，由于上述各種過程，射線強(qiáng)度I被衰減，衰減量表示為dI，用衰減系數(shù)來表示衰減的強(qiáng)弱：2021-6-155dxIdIIdxdI 由于X線通過物質(zhì)時的主要相互作用是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及電子對效應(yīng)三種過程損失其能量的絕大部分，忽略其他作用后，有： 式中，為光電效應(yīng)衰減系數(shù)，為康普頓效應(yīng)衰減系數(shù)，為電子對效應(yīng)衰減系數(shù)。2021-6-156 通常會采用質(zhì)量衰減系數(shù)m來表達(dá)物質(zhì)對射線衰減的強(qiáng)弱： 式中，m為光電效應(yīng)質(zhì)量衰減系數(shù)，m為康普頓效應(yīng)質(zhì)量衰減系數(shù)，m為電子對效應(yīng)質(zhì)量衰減系數(shù)。2021-6-157mmmmm二、光電效應(yīng)2021-6-158與光電效應(yīng)有關(guān)的諾貝

3、爾物理學(xué)獎 1921年，愛因斯坦因建立光量子理論并成功解釋了光電效應(yīng)而獲獎。 1922年，玻爾因建立原子理論（因密立根證實(shí)了光量子理論而獲得了實(shí)驗(yàn)支持）而獲獎。 1923年，密立根因測量基本電荷和研究光電效應(yīng)而獲獎。2021-6-159 光子通過物質(zhì)時與原子內(nèi)層軌道電子相互作用，將全部能量交給電子，獲得能量的電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，光子本身整個被原子吸收，這樣的作用過程稱為光電效應(yīng)。 與特征X線產(chǎn)生的相似性（碘、鋇、鈣）2021-6-1510 光電效應(yīng)中產(chǎn)生： 負(fù)離子（光電子、俄歇電子） 正離子 特征輻射 2021-6-1511 光電效應(yīng)的發(fā)生幾率（對X線衰減系數(shù)）： 入射光子能量軌

4、道結(jié)合能 入射光子能量不能過高 幾率正比于1/(h)3 原子序數(shù)越高幾率越大，幾率正比于Z42021-6-1512341ZAcm原子邊界限吸收 m（光電效應(yīng)發(fā)生率）一般隨入射光子能量的增大而降低 當(dāng)入射光子能量增加到恰好等于原子軌道電子的結(jié)合能時，m突然增加。這些吸 收突然增加處稱為吸收限 當(dāng)光子能量等于K層電子的結(jié)合能時，發(fā)生K邊界限吸收（K緣吸收）；等于L電子的結(jié)合能時，發(fā)生L邊界限吸收（L緣吸收） 最重要的是K邊界限吸收，因?yàn)楣怆娦?yīng)主要發(fā)生在K層電子軌道。2021-6-15132021-6-1514 對照片質(zhì)量的影響 不產(chǎn)生散射線 增強(qiáng)天然對比度2021-6-1515 對被檢者的影響：

5、 增加了輻射劑量 應(yīng)對方法： 增大管電壓（高千伏攝影）2021-6-1516三、康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng) 效應(yīng)/散射2021-6-1517 實(shí)驗(yàn)和理論證明康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)m： 幾率正比于1/(h) 原子序數(shù)越高幾率越大，幾率正比于Z2021-6-1518ZAcZANcm201 光子與原子的外層軌道電子相互作用，光子交給軌道電子部分能量后，頻率發(fā)生改變，并散射。軌道電子同時脫離并出射。 反沖電子與散射光子（出射角度） 康普頓散射光子的角分布強(qiáng)烈地依賴于入射光子的能量。2021-6-1519 散射波長改變量的數(shù)量級為 10-12m，可見光波長10-7m，所以觀察不到康普頓效應(yīng)。 散射光中有與入射光相同

6、的波長的射線，是由于光子與原子碰撞，原子質(zhì)量很大，光子碰撞后，能量不變，因此散射光頻率不變。 由于康普頓對“康普頓效應(yīng)”的一系列實(shí)驗(yàn)及其理論解釋，因此獲得了1927年諾貝爾物理學(xué)獎（與英國的威爾遜一起分享）2021-6-1520 產(chǎn)生散射 對照片質(zhì)量的影響 散射線2021-6-1521四、電子對效應(yīng)2021-6-1522 入射光子在原子核場或電子場中，突然消失而轉(zhuǎn)化為一對正、負(fù)電子 正、負(fù)電子有各自的動能 正電子遇到其它電子后發(fā)生湮滅效應(yīng)，產(chǎn)生湮滅輻射 湮滅效應(yīng)是指正電子與電子相遇后消失，轉(zhuǎn)變成為能量相同、方向相反的兩個光子，光子能量為511keV 能量相同、方向相反的兩個能量為511keV光

7、子稱為湮滅輻射愛恩斯坦的質(zhì)量能量互換原理2021-6-15232021-6-15242021-6-1525 對照片質(zhì)量無直接影響 發(fā)生機(jī)率正比于Z2在常用X線能量范圍內(nèi)發(fā)生幾率低，在診斷X線范圍內(nèi)不可能發(fā)生。2021-6-152642021-6-15272021-6-15282021-6-15292021-6-1530在20100keV診斷X線能量范圍內(nèi)，只有光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)是主要的，相干散射所占的比例很小，并不重要，光核反應(yīng)可以忽略，電子對效應(yīng)不可能發(fā)生。X線衰減規(guī)律 X線的衰減：距離所致、物質(zhì)吸收所致 距離：X線強(qiáng)度與距離（半徑）的平方成反比 應(yīng)用：利用焦點(diǎn)至膠片距離的辦法來調(diào)節(jié)強(qiáng)度2

8、021-6-1531 物質(zhì)：相互作用所致 原子序數(shù)、密度、穿透厚度 應(yīng)用：成像，濾過2021-6-1532一、單能窄束X線的衰減規(guī)律 單能窄束的獲取方法 服從朗勃-比爾定律（指數(shù)衰減規(guī)律）： ：線性衰減系數(shù)/線性吸收系數(shù)，m：質(zhì)量衰減系數(shù)，lm質(zhì)量厚度2021-6-1533mmlleIeII00 診斷X線頻段，X線能量較低，光電效應(yīng)起主導(dǎo)作用，故而：影響吸收系數(shù)的因素： 原子序數(shù) 射線波長2021-6-153434ZKm 混合物與化合物的衰減 有效原子序數(shù) 是指在相同的條件下，1kg復(fù)合物質(zhì)與1kg單質(zhì)所吸收的輻射能相同時，此單質(zhì)的原子序數(shù)Z就稱為復(fù)合物質(zhì)的有效原子序數(shù) 計算公式如下：fi為第

9、i種元素在單位體積中電子數(shù)的占有比率（或?yàn)榈趇種元素的原子在分子中的原子個數(shù)），Zi是第i個原子序數(shù)2021-6-153594. 2)(94. 2iiiZfZZ二、寬束X線的衰減規(guī)律 在窄束的指數(shù)衰減規(guī)律上加入積累因子B 加以修正： 式中Nn為物質(zhì)中未經(jīng)碰撞的原射線光子的計數(shù)率，Ns為在物質(zhì)中散射光子的計數(shù)率，N為在物質(zhì)中光子的總計數(shù)率，N =NsNn。2021-6-1536leBII0nsnsnnNNNNNNNB1三、連續(xù)X線的衰減規(guī)律 能譜衰減 能譜平均能量一般在最高能量的1/3至1/2之間 高能與低能的衰減程度不同2021-6-1537 衰減情況 如圖2021-6-1538X線通過人體的衰減規(guī)律 X線在人體中，主要通過光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)兩種作用形式使其衰減。 物質(zhì)的原子序數(shù)Z高、密度大，吸收X線多，X線穿透性差。 為了增加組織間的對比度，還常用各種人工造影檢查，來擴(kuò)大X線的診斷范圍。2021-6-1539X線通過人體的衰減規(guī)律 密度最大的是骨，它含有大量的鈣質(zhì)，鈣的Z(20)較高，所以骨吸收X線最多； 各種軟組織（包括結(jié)締組織，肌肉，軟骨等）以及體液都是由氫、碳、氮、氧等低Z的原子組成，它們的密度與水相近，屬于中等透過性組織； 脂肪組織的原子成分與軟組織相似，但排列稀疏，密度比軟組織小，X線的透過性較好； 肺部、胃腸道、副鼻竇及乳突內(nèi)等均含有氣體，氣體雖然也是由氫、氮、氧