第3章X射線與物質(zhì)的作用電離的概念帶電離子（電子、質(zhì)子、粒子等）與物質(zhì)的作用,---直接電離。非帶電離子（光子）與物質(zhì)的作用---間接電離。3.1X線與物質(zhì)的作用機(jī)制

X射線與物質(zhì)作用，結(jié)果三個(gè)：

1、入射光子在作用過程中被吸收2、X射線在作用過程中被散射3、與介質(zhì)沒有作用而穿過X線與物質(zhì)的作用方式

光電吸收效應(yīng)（PhotoelectricAbsorptionEffect）

康普敦散射（ComptonScattering）

湯姆森散射（ThompsonScattering）

瑞利散射（RayleighScattering）

電子對(duì)效應(yīng)（Electricpaireffect）

湯姆森散射與瑞利散射

湯姆森散射是發(fā)生在低能光子與單個(gè)自由電子之間的散射現(xiàn)象。瑞利散射是光子與原子的多個(gè)自由電子之間發(fā)生的湯姆森散射的疊加。散射過程中光子只改變方向，沒有能量損失。隨著光子能量的升高，湯姆森散射或瑞利散射的概率迅速下降，康普頓散射變?yōu)橹饕纳⑸浞绞健Ｒ虼?，湯姆森散射或瑞利散射?duì)醫(yī)學(xué)成像影響不大（乳腺成像除外）。電子對(duì)效應(yīng)當(dāng)X射線光子能量超過1.02MeV時(shí)，光子與原子核作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)電子對(duì)。其中的正電子與周圍負(fù)電子發(fā)生湮滅效應(yīng)，輻射兩個(gè)能量各為511KeV的光子。重點(diǎn)介紹光電吸收效應(yīng)康普頓散射與醫(yī)學(xué)成像密切相關(guān)3.1.1幾個(gè)相關(guān)參數(shù)反應(yīng)截面衰減系數(shù)半價(jià)層1、反應(yīng)截面I0散射光子探測(cè)器IΔX一個(gè)單位靶面積（如1cm2），厚度ΔXcm，靶內(nèi)單位體積中原子核數(shù)是N，有：ΔI=I0-I=σ*N*I0*ΔX反應(yīng)截面σ=ΔI/(I0*N*ΔX)

單位時(shí)間反應(yīng)了的光子數(shù)（單位時(shí)間入射的總光子數(shù)*單位面積的靶核數(shù)）σ表示光子束與單個(gè)靶核發(fā)生相互作用的平均概率。量綱：面積。單位：靶恩（barn,b)1b=10-24cm2σt=Σσ----總反應(yīng)截面σt=σpe+σc------近似等于光電吸收截面與康普敦散射截面之和。＝反應(yīng)截面σ也稱為微觀截面

光子束與介質(zhì)單個(gè)靶核作用的幾率宏觀截面Σ=Nσt光子束與介質(zhì)所有靶核作用的幾率，更符合工程實(shí)際.量綱=1/cm核密度：N=NA*ρ/A,單位：個(gè)/cm3

NA=6.022*1023/mol，阿伏加德羅常數(shù)

ρ為靶密度，單位：g/cm3A為靶物質(zhì)的原子量。Σ=Nσt=ΔI/(I0*ΔX)例：Σ=0.25/cm,光子在其中穿過1cm時(shí)，被組織吸收的概率是0.25。線性衰減系數(shù)質(zhì)量衰減系數(shù)2、物質(zhì)對(duì)輻射的衰減系數(shù)

線性衰減系數(shù)：與單位厚度的物質(zhì)發(fā)生作用的光子數(shù)與總光子數(shù)的比值線性衰減系數(shù)

對(duì)厚度d積分：

I=Ioe-d

上式就是利用線性衰減系數(shù)對(duì)單色X線在特定物質(zhì)中衰減的定量描述。量綱為長度的倒數(shù)，典型為米分之一衰減系數(shù)之二：質(zhì)量衰減系數(shù)

將線性衰減系數(shù)

除以衰減物的密度

，就是質(zhì)量衰減系數(shù)，即

/

。將質(zhì)量衰減系數(shù)引入式上式，得：

I=Ioe-(/)d

式中d

實(shí)際是射線穿過的單位面積上的物質(zhì)質(zhì)量，稱為質(zhì)量厚度，單位是g/cm2。質(zhì)量厚度＝厚度×密度質(zhì)量衰減系數(shù)

如果將質(zhì)量衰減系數(shù)用

m表示，質(zhì)量厚度用Tm表示，則質(zhì)量衰減系數(shù)相當(dāng)于將線性衰減系數(shù)對(duì)物質(zhì)密度作歸一化，所以質(zhì)量衰減系數(shù)與物質(zhì)密度無關(guān)，只表現(xiàn)物質(zhì)組成的差別。質(zhì)量衰減系數(shù)的單位是cm2/g。3、線性衰減系數(shù)與反應(yīng)截面的關(guān)系μ=

Nσ=

Σ宏觀截面與線性衰減系數(shù)完全一致。4、輻射的穿透能力：半價(jià)層

定義：輻射強(qiáng)度下降為原強(qiáng)度的一半時(shí)所穿過的物質(zhì)厚度，通常記為HVL(HalfValueLayer)。

半價(jià)層與線性衰減系數(shù)的關(guān)系：

要強(qiáng)調(diào)的是，半價(jià)層對(duì)輻射的衰減關(guān)系同樣只適用于單色射線。

3.1.2光電效應(yīng)1、光電吸收現(xiàn)象

光電作用過程是光致電離的過程，一個(gè)輻射光子使原子的一個(gè)殼層電子脫離原子，變成光電子。光子的能量用來克服電子的結(jié)合能使原子電離，剩余部分能量變?yōu)楣怆娮拥膭?dòng)能。這一現(xiàn)象就叫光電效應(yīng)。如果光電子來自較低能級(jí)的殼層（如K、L層），那么留出的空位在被更高能級(jí)的電子填充時(shí)會(huì)產(chǎn)生標(biāo)識(shí)輻射光子。這個(gè)過程與高速電子轟擊陽極靶產(chǎn)生標(biāo)識(shí)輻射X線光子的過程類似。

圖解光電效應(yīng)圖3-7光電作用示意圖幾點(diǎn)說明1）光子能量如低于原子中電子結(jié)合能E'，光電效應(yīng)不會(huì)發(fā)生。2）hv

略大于E'時(shí)最易發(fā)生，一部分克服E'，剩下的一點(diǎn)形成電子動(dòng)能。3）電子和標(biāo)識(shí)光子將能轉(zhuǎn)換給周圍物質(zhì)，完全被吸收。4）生物組織中多數(shù)原子E'

=0.5KeV，醫(yī)用X線的能量10KeV-100KeV，完全可能發(fā)生。光電效應(yīng)的次級(jí)粒子光電子正粒子（丟了電子的核）標(biāo)識(shí)光子（二次光子），再與物質(zhì)作用，直到完全被吸收2、光電效應(yīng)發(fā)生的概率

如果輻射光子能量大于原子的K殼層結(jié)合能，那么發(fā)生光電吸收的微觀截面為

KZ4/E3

其中：Z：衰減物質(zhì)的原子序數(shù)，

E：光子能量，

K：9.8

10-24。

光電效應(yīng)的宏觀截面

經(jīng)推導(dǎo)，光電吸收的宏觀截面為1）考慮到除氫外的大多數(shù)介質(zhì)，包括人體組織，Z/A值的差異很小，可以看作是一個(gè)常數(shù)。2）雖然各種人體組織中都含有大量氫元素，但是每個(gè)氫原子只有一個(gè)軌道電子，影響有限。

光電效應(yīng)的總幾率其中：為常數(shù)。與介質(zhì)的密度成正比與介質(zhì)原子序數(shù)的三次方成正比與光子能量的三次方成反比光電吸收效應(yīng)的總幾率3、光電效應(yīng)對(duì)X射線成像的作用1、光電效應(yīng)由較弱的X射線引起，主要產(chǎn)生光電子、正粒子、標(biāo)識(shí)光子、不產(chǎn)生X射線，可減少圖像灰霧。2、造影時(shí)利用大原子序數(shù)造影劑光電效應(yīng)概率高的特點(diǎn)，產(chǎn)生高對(duì)比度的造影圖像。3、可增加人體對(duì)X射線的吸收。要避免可提高管壓。3.1.3康普頓散射康普敦（A.H.Comptonl892—1962）研究了X射線經(jīng)金屬或石墨等物質(zhì)散射后的光譜。根據(jù)古典電磁波理論，入射波長應(yīng)與散射波長相等，而康普敦的實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)，除有波長不變的散射外，還有大于入射波長的散射存在，這種改變波長的散射稱為康普敦效應(yīng)?？灯疹D散射光的波動(dòng)說無論如何也不能解釋這種效應(yīng)，而光量子假說卻能成功地解釋它。按照光量子理論，入射X射線是光子束，光子同散射體中的自由電子碰撞時(shí)，將把自己的一部分能量給了電子，由于散射后的光子能量減少了，從而使光子的頻率減小，波長變大。因此，康普敦效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，有力地證實(shí)了光量子假說?？灯疹D散射

能量較高的輻射光子在與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子方向發(fā)生偏離，能量（頻率、波長）也發(fā)生變化。這一現(xiàn)象由AHCompton首先發(fā)現(xiàn)，他把這一現(xiàn)象解釋為輻射光子與“自由”電子非彈性碰撞的結(jié)果。

圖解康普頓散射圖4-6康普敦散射示意圖康普頓散射散射光子波長變化：λ是散射光子波長，λ0為入射光子波長，m0為自由電子靜止質(zhì)量，c是光速，h是普朗克常數(shù)。根據(jù)此式，散射光子波長改變只取決于散射角度，而與光子能量無關(guān)?？灯疹D散射h/m0c=0.00243nm稱為電子的康普敦波長。物理意義：入射光子的能量等于電子的靜止能量時(shí)的波長?？捎晒酵瞥?。康普頓散射反沖電子方向與散射光子方向的關(guān)系：ε=E/m0c2E<<m0c2ε<<1φ≌(π-θ)/2圖解康普頓散射Δλ只取決于散射角度幾點(diǎn)說明1）散射光子包含兩種情況1.與原子入射光子波長相同的光子。入射光子與結(jié)合能大的電子發(fā)生彈性碰撞，能量沒有任何損失。但方向改變。2.比原光子波長長的光子，表示散射光子能量比原光子減少（非彈性碰撞）。2）同樣入射光子能量條件下，康普頓散射更易發(fā)生在Z大的物質(zhì)中，因其單位體積中電子數(shù)量中電子數(shù)多些。3）獲取能量的自由電子，有一部分可以離開原子本身，稱為“反沖電子”。

康普頓散射的次級(jí)粒子運(yùn)動(dòng)的自由電子（反沖電子）散射光子hv散新的標(biāo)識(shí)光子2、康普頓散射發(fā)生的概率與介質(zhì)的原子序數(shù)關(guān)系不大，與介質(zhì)的密度成正比，與光子能量成反比。3、康普頓散射對(duì)醫(yī)學(xué)成像的影響是X射線成像的最大散射線來源，影響成像質(zhì)量。散射到各個(gè)方向，須加強(qiáng)防護(hù)。3.