X（或γ）射線與物質(zhì)的相互作用講解

學(xué)習(xí)目標(biāo)1、掌握X(或γ)射線與物質(zhì)相互作用規(guī)律及光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生機(jī)制2、掌握診斷X射線能量范圍內(nèi)，射線與組織相互作用各種效應(yīng)發(fā)生幾率及對(duì)影像質(zhì)量、輻射劑量的影響3、了解X(或γ)射線與物質(zhì)作用規(guī)律在射線診斷、屏蔽防護(hù)中的應(yīng)用X射線與γ射線X射線與γ射線本質(zhì)都是電磁波，且都屬電離輻射γ射線能量比X射線能量更高，具有更強(qiáng)的穿透本領(lǐng)X射線是高速電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的γ射線是從原子核衰變中放射出來(lái)的射線與物質(zhì)相互作用的規(guī)律是進(jìn)行射線探測(cè)、防護(hù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。X射線與物質(zhì)的相互作用X線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，小部分從物質(zhì)的原子間隙中穿過(guò)(穿透作用)大部分被吸收和散射膠片感光、熒光屏發(fā)光形成影像電離作用

放射治療、防護(hù)濾除、防護(hù)衰減系數(shù)μX光子的數(shù)量減少方面光子減少的數(shù)目物質(zhì)厚度入射光子數(shù)目X線強(qiáng)度減弱方面剩余X線強(qiáng)度入射X線強(qiáng)度物質(zhì)厚度衰減系數(shù)μ和質(zhì)量衰減系數(shù)μm

線衰減系數(shù)μ的國(guó)際單位為m-1

μ與X線能量成反比、與物質(zhì)密度/原子序數(shù)成正比

考慮到線衰減系數(shù)跟其密度成正比，而密度又隨材料的物理形態(tài)而變化，為了避開這種與物質(zhì)密度的相關(guān)性，通常采用質(zhì)量衰減系數(shù)μm=μ/ρ質(zhì)量衰減系數(shù)表示X射線在穿過(guò)單位質(zhì)量厚度（1kg*m-2）的物質(zhì)層時(shí)，強(qiáng)度衰減的分?jǐn)?shù)值。單位為m2*kg-1能量轉(zhuǎn)移和吸收

從能量轉(zhuǎn)移的角度可以看總的衰減系數(shù)：μ=μtr+μsμtr表示電子轉(zhuǎn)移部分μs表示輻射轉(zhuǎn)移部分從能量吸收的角度來(lái)表示則：

μen=μtr（1-g）μen表示能量吸收系數(shù)光電效應(yīng)光電效應(yīng)又稱光電吸收，是X線光子能量被原子全部吸收的作用過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是物質(zhì)吸收X射線使其產(chǎn)生電離的過(guò)程光電效應(yīng)作用位置：原子內(nèi)層電子條件：X光子能量大于等于內(nèi)層電子結(jié)合能hυ≥W次級(jí)粒子：光電子、俄歇電子、特征X光子、正離子光電效應(yīng)的發(fā)生幾率與物質(zhì)原子序數(shù)的4次方成正比與入射光子能量的3次方成反比原子邊界限吸收當(dāng)入射光子能量恰好等于原子軌道電子結(jié)合能時(shí)，吸收系數(shù)突然增加物質(zhì)原子的邊界限吸收特性很有實(shí)用價(jià)值，可在防護(hù)材料的選取、復(fù)合防護(hù)材料配方及陽(yáng)性造影劑材料的制備等方面得到應(yīng)用光電效應(yīng)中的特征放射K系特征放射：鋇37.4keV

碘33.2keV

產(chǎn)生灰霧人體軟組織0.5keV

鈣4keV

人體吸收光電子的角分布隨著入射光子的能量增大，光電子的速度增大，愈來(lái)愈多的光電子沿入射光子的方向朝前出射診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)有利面，能產(chǎn)生質(zhì)量好的照片影像①不產(chǎn)生散射線，減少照片灰霧②增加人體不同組織的X線吸收差別，提高對(duì)比度放療中，增加腫瘤組織的劑量，提高療效不利面增加了人體的X線吸收劑量，不利于X線防護(hù)可用高千伏攝影技術(shù)降低X線吸收劑量康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)又稱為康普頓散射，是X線光子能量被部分吸收而產(chǎn)生散射的過(guò)程康普頓效應(yīng)作用位置：原子最外層電子條件：X光子能量遠(yuǎn)大于外層電子結(jié)合能hυ>>W次級(jí)粒子：反沖電子、散射X光子、正離子康普頓效應(yīng)的發(fā)生幾率與物質(zhì)原子序數(shù)Z成正比(只適用于氫元素與其他元素的比較)與入射光子能量成反比當(dāng)入射光子能量等于或稍大于電子的結(jié)合能，光電效應(yīng)最有可能發(fā)生，隨著入射光子能量的增加，光電效應(yīng)很快降低，而康普頓效應(yīng)下降較慢，此時(shí)以康普頓效應(yīng)為主散射光子的角分布在康普頓散射中，散射光子的能量為反沖電子的動(dòng)能為當(dāng)φ等于0°時(shí)，cosφ=1，散射光子能量最大（等于hυ），反沖電子能量等于零。當(dāng)φ角等于180°時(shí)，cosφ=-1，散射光子能量達(dá)到最小，反沖電子能量達(dá)到最大散射光子的角分布入射線能量?jī)H能發(fā)生康普頓效應(yīng)時(shí)，散射光子近似對(duì)稱于90°分布；隨著入射光子能量的增大，散射光子的分布趨向前方；隨入射光子能量的增大，反沖電子的角分布同樣趨向前方。散射光子的角分布hυ1、hυ2……為不同角度散射的光子能量；數(shù)字1、2……標(biāo)出的矢量是在光子散射時(shí)生成反沖電子的動(dòng)能。光子可在0°～180°的整個(gè)空間范圍內(nèi)散射，反沖電子飛出的角度不超過(guò)90°散射光子的角分布散射光子的能量隨散射角增大而減小，可得出康普頓散射中光子波長(zhǎng)的改變?yōu)椋?/p>

表明對(duì)于給定的散射角，光子波長(zhǎng)的改變與入射光子的能量無(wú)關(guān)。散射光子的角分布各種偏轉(zhuǎn)角度下散射光子的能量

入射光子能量散射光子能量(keV)散射光子能量(keV)散射光子能量(keV)散射光子能量(keV)(keV)30°60°90°180°2524.924.424235049.647.846427574.370665810098.591847215014613111695診斷放射學(xué)中的康普頓效應(yīng)從表中數(shù)據(jù)看出，在康普頓散射中，散射光子仍保留了大部分的能量，傳遞給反沖電子的能量是很少的。小角度偏轉(zhuǎn)的光子，幾乎仍保留其全部能量。這會(huì)產(chǎn)生小角度的散射線不可避免地要到達(dá)膠片產(chǎn)生灰霧而降低照片的質(zhì)量X線機(jī)曝光產(chǎn)生X線時(shí)，散射光子將充滿整個(gè)檢查室，增加防護(hù)難度在X線攝影過(guò)程中，特別是高千伏攝影時(shí)，為減少散射線對(duì)圖像質(zhì)量的影響，必須使用濾線柵電子對(duì)效應(yīng)如果入射X線光子能量大于等于1.02MeV，在與物質(zhì)原子的原子核發(fā)生相互作用時(shí)，X線光子突然消失，同時(shí)轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)電子能質(zhì)轉(zhuǎn)換的典型電子對(duì)效應(yīng)作用位置：原子核條件：X光子能量hυ≥1.02MeV(在診斷X線能量范圍內(nèi)不可能發(fā)生)湮滅輻射生成的正、負(fù)電子在物質(zhì)中穿行繼續(xù)損失自身的能量，慢化的正電子在停止前的一瞬間與物質(zhì)中的自由電子結(jié)合，隨即向相反方向射出兩個(gè)能量各為0.51MeV的光子質(zhì)能轉(zhuǎn)換的典型電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生的幾率發(fā)生幾率：與物質(zhì)的原子序數(shù)的平方成正比；與單位體積內(nèi)的原子個(gè)數(shù)成正比；與光子能量的對(duì)數(shù)成正比。相干散射射線與物質(zhì)相互作用而發(fā)生干涉的散射過(guò)程，在低能射線范圍內(nèi)以瑞利散射為主瑞利散射：入射光子被原子內(nèi)殼層電子吸收并激發(fā)到外層高能級(jí)上，隨即又躍遷回原能級(jí)，同時(shí)放出一個(gè)能量與入射光子相同，傳播方向發(fā)生改變的散射光子實(shí)際上是X射線的折射，不產(chǎn)生電離的過(guò)程相干散射的發(fā)生幾率與物質(zhì)原子序數(shù)成正比，并隨光子能量的增大而急劇地減少在整個(gè)診斷X線能量范圍內(nèi)都有相干散射發(fā)生光核作用一個(gè)光子從原子核內(nèi)擊出數(shù)量不等的中子、質(zhì)子和γ光子的過(guò)程條件：光子能量大于該物質(zhì)發(fā)生核反應(yīng)的閾能(在診斷X線能量范圍內(nèi)不可能發(fā)生)可產(chǎn)生中子和放射性核素X線引發(fā)效應(yīng)總結(jié)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)相干散射光核作用作用位置原子內(nèi)層電子原子最外層電子原子核原子內(nèi)層電子原子核產(chǎn)生條件hv≥Whv>>Whv≥1.02MeVhv≥核反應(yīng)的閾能發(fā)生幾率原子序數(shù)的4次方成正比；與入射光子能量的3次方成反比原子序數(shù)成正比與入射光子能量成反比原子序數(shù)的平方、單位體積內(nèi)的原子個(gè)數(shù)、光子能量的對(duì)數(shù)成正比物質(zhì)原子序數(shù)成正比、光子能量成反比次級(jí)粒子光電子、俄歇電子、特征X光子、正離子反沖電子、散射X光子、正離子正、負(fù)電子，湮滅輻射光子散射光子放射線核素、中子、質(zhì)子、γ光子Z和hv與三種基本作用的關(guān)系光電效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)區(qū)間：低能光子、高原子序數(shù)物質(zhì)

康普頓效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)區(qū)間：0.8~4MeV光子

電子對(duì)效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)區(qū)間：高能光子在20~100keV診斷X能量范圍內(nèi)，只有光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)，電子對(duì)效應(yīng)不可能發(fā)生診斷放射中各種基本作用發(fā)生的幾率低管電壓、高原子序數(shù)(陽(yáng)性造影劑)以光電效應(yīng)為主高管電壓、低原子序數(shù)以康普頓效應(yīng)為主掌握不同能量的X射線對(duì)不同的原子序數(shù)的物質(zhì)作用類型和幾率，對(duì)提高影像質(zhì)量，降低受照劑量和優(yōu)選屏蔽防護(hù)材料都有重要意義射線在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用基