x線與物質(zhì)相互作用

第二章放射物理基礎(chǔ)X線與物質(zhì)相互作用2023/2/41當(dāng)X-ray進(jìn)入物體時(shí)，會(huì)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）

2023/2/42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)2023/2/43在各種可能的相互作用中：光電效應(yīng)（photoelectriceffect）康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)（Comptoneffect）電子對(duì)效應(yīng)（electronicpaireffect）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2023/2/44一、X線衰減系數(shù)當(dāng)X線通過(guò)距離為dx的物質(zhì)時(shí)，由于上述各種過(guò)程，射線強(qiáng)度I被衰減，衰減量表示為dI，用衰減系數(shù)μ來(lái)表示衰減的強(qiáng)弱：2023/2/45由于X線通過(guò)物質(zhì)時(shí)的主要相互作用是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及電子對(duì)效應(yīng)三種過(guò)程損失其能量的絕大部分，忽略其他作用后，有：

式中，τ為光電效應(yīng)衰減系數(shù)，σ為康普頓效應(yīng)衰減系數(shù)，κ為電子對(duì)效應(yīng)衰減系數(shù)。2023/2/46通常會(huì)采用質(zhì)量衰減系數(shù)μm來(lái)表達(dá)物質(zhì)對(duì)射線衰減的強(qiáng)弱：

式中，τm為光電效應(yīng)質(zhì)量衰減系數(shù)，σm為康普頓效應(yīng)質(zhì)量衰減系數(shù)，κm為電子對(duì)效應(yīng)質(zhì)量衰減系數(shù)。2023/2/47二、光電效應(yīng)2023/2/48與光電效應(yīng)有關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1921年，愛(ài)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(jiǎng)。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(jiǎng)。1923年，密立根因測(cè)量基本電荷和研究光電效應(yīng)而獲獎(jiǎng)。2023/2/49光子通過(guò)物質(zhì)時(shí)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(gè)被原子吸收，這樣的作用過(guò)程稱為光電效應(yīng)。與特征X線產(chǎn)生的相似性（碘、鋇、鈣）2023/2/410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

2023/2/411光電效應(yīng)的發(fā)生幾率（對(duì)X線衰減系數(shù)）：入射光子能量〉軌道結(jié)合能入射光子能量不能過(guò)高幾率正比于1/(hν)3原子序數(shù)越高幾率越大，幾率正比于Z42023/2/412原子邊界限吸收τm（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(shí)，τm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(shí)，發(fā)生K邊界限吸收（K緣吸收）；等于L電子的結(jié)合能時(shí)，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。2023/2/4132023/2/414對(duì)照片質(zhì)量的影響不產(chǎn)生散射線增強(qiáng)天然對(duì)比度2023/2/415對(duì)被檢者的影響：增加了輻射劑量應(yīng)對(duì)方法：增大管電壓（高千伏攝影）2023/2/416三、康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)效應(yīng)/散射2023/2/417實(shí)驗(yàn)和理論證明康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)σm：幾率正比于1/(hν)原子序數(shù)越高幾率越大，幾率正比于Z2023/2/418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(shí)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。2023/2/419散射波長(zhǎng)改變量的數(shù)量級(jí)為10-12m，可見(jiàn)光波長(zhǎng)~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的波長(zhǎng)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(duì)“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(jiǎng)（與英國(guó)的威爾遜一起分享）2023/2/420產(chǎn)生散射對(duì)照片質(zhì)量的影響

散射線2023/2/421四、電子對(duì)效應(yīng)2023/2/422入射光子在原子核場(chǎng)或電子場(chǎng)中，突然消失而轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)電子正、負(fù)電子有各自的動(dòng)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(gè)光子，光子能量為511keV能量相同、方向相反的兩個(gè)能量為511keV光子稱為湮滅輻射—愛(ài)恩斯坦的質(zhì)量能量互換原理2023/2/4232023/2/4242023/2/425對(duì)照片質(zhì)量無(wú)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。2023/2/42642023/2/4272023/2/4282023/2/4292023/2/430在20～100keV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(duì)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(lái)調(diào)節(jié)強(qiáng)度2023/2/431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(guò)2023/2/432一、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）：

μ：線性衰減系數(shù)/線性吸收系數(shù)，μm：質(zhì)量衰減系數(shù)，lm質(zhì)量厚度2023/2/433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(zhǎng)2023/2/434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(shí)，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(jì)算公式如下：fi為第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(gè)數(shù)），Zi是第i個(gè)原子序數(shù)2023/2/435二、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(jì)數(shù)率，Ns為在物質(zhì)中散射光子的計(jì)數(shù)率，N為在物質(zhì)中光子的總計(jì)數(shù)率，N=Ns＋Nn。2023/2/436三、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2023/2/437衰減情況如圖2023/2/438X線通過(guò)人體的衰減規(guī)律X線在人體中，主要通過(guò)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ρ大，吸收X線多，X線穿透性差。為了增加組織間的對(duì)比度，還常用各種人工造影檢查，來(lái)擴(kuò)大X線的診斷范圍。2023/2/439X線通過(guò)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(guò)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(guò)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、氧等組成，但分布非常稀疏，密度很小，所以透過(guò)性能最好。2023/2/440X線