1、.,1,X(或)射線與物質的相互作用,.,2,原子的核外電子因與外界相互作用獲得足夠的能量，掙脫原子核對它的束縛，造成原子的電離。 電離是由具有足夠動能的帶電粒子，如電子、質子、粒子，與原子中的電子碰撞引起的。 原子的核外電子受原子核的束縛不同，帶電粒子必須具有不小于原子核外殼層電子的束縛能量，才能使物質的原子電離。,.,3,不帶電粒子，如光子、中子等，本身不能使物質電離，但借助它們與原子的殼層電子或原子核作用產生的次級粒子，如電子、反沖核等，隨后在與物質中的原子作用，引起原子的電離。 由帶電粒子通過碰撞直接引起物質的原子或分子的電離稱為直接電離，這些帶電粒子稱為直接電離粒子。 不帶電粒子通過

2、它們與物質相互作用產生的帶電粒子引起原子的電離，稱為間接電離。這些不帶電粒子稱為間接電離粒子。,.,4,由直接電離粒子或間接電離粒子、或兩者混合組成的輻射成為電離輻射。 另外，有些輻射如紅外線、可見光、微波等電磁波以及低能粒子，由于其能量低，不能引起物質原子的電離，成為非電離輻射。,.,5,輻射的類型,Directly ionizing radiation electrons protons -particles other heavy charged particle Indirectly ionizing radiation uncharged particles such as neut

3、ron and photons,.,6,電離輻射與物質的相互作用是X射線成像的物理基礎和電離輻射劑量學的基礎。,.,7,帶電粒子與物質的相互作用的主要方式,具有一定能量的帶電粒子入射到靶物質中，與物質原子發(fā)生作用，作用的主要方式有 與核外電子發(fā)生非彈性碰撞； 與原子核發(fā)生非彈性碰撞； 與原子核發(fā)生彈性碰撞； 與原子核發(fā)生核反應。,.,8,.,9,X線與物質的相互作用,X線與物質的作用都是和原子發(fā)生作用。X線在物質中可引起物理的、化學的和生物的各種效應。 當X光子進入生物組織后，與體內某個電子相互作用，形成高速電子和散射線。 高速電子通過組織時，與原子相互作用，使其電離或激發(fā)，產生化學變化和生物

4、損傷；在被吸收的能量中，97的轉變?yōu)闊崮埽?%的能量以引起化學變化的形式積蓄起來。,.,10,X線與物質的相互作用,高速電子還可以發(fā)生輻射性碰撞而產生韌致輻射，韌致輻射線與散射線又象原射線一樣繼續(xù)與物質的原子作用。 平均30次左右的相互作用，一個入射光子的全部能量都轉移給電子。 X光子進入生物組織后，光子能量在其中轉移、吸收，最終引起生物效應。,.,11,X線與物質的相互作用,X線在物質中可能與原子的電子、原子核、帶電粒子的電場以及原子核的介子場發(fā)生相互作用，作用的結果可能發(fā)生光子的吸收、彈性散射和非彈性散射。 吸收時光子的能量全部變?yōu)槠渌问降哪芰浚?彈性散射僅改變輻射的傳播方向， 非彈性散

5、射改變輻射的方向，也部分地吸收光子的能量。,.,12,X射線與物質的相互作用,X射線與物質相互作用的主要過程包括： 光電效應 (photoelectric effect) 康普頓效應(Compton effect) 電子對效應(electronic pair effect） 三種主要過程損失能量的絕大部分。其他次要過程有相干散射、光核反應等。,.,13,總結,hv Ei 康普敦效應 hv 2mec2 電子對效應 hv 很高 光核反應 總質量減弱系數(shù),.,14,吸收和散射,入射X線,直接透過,光電吸收,電子對效應,散射,光電子,俄歇電子,特征放射,康普頓散射,相干散射,散射光子,反沖電子,正電子

6、、電子,湮滅輻射光子,.,15,總結,.,16,總結,在0.0110MeV范圍內，產生光電效應、康普頓效應和電子對效應三個基本過程。 在光子能量較低時,除低Z以外的所有元素都以光電效應為主。 光子能量在0.84MeV時，無論Z多大，康普頓效應都占主導地位。 大的h處電子對效應占優(yōu)勢。圖中的曲線表示兩種相鄰效應正好相等處的Z和h值。 在20100keV的診斷X線范圍內，光電效應和康普頓效應是重要的，相干散射不占主要地位，電子對效應不可能發(fā)生。,.,17,總結,水、致密骨和NaI對20100keV的光子能量所發(fā)生的各種作用的百分數(shù)。,.,18,診斷放射學中作用幾率與有效原子序數(shù)和能量的關系,.,1

7、9,總結,用水來說明低Z組織的情況，如空氣、脂肪和肌肉。 致密骨含有大量鈣質，代表中等Z的物質。 相干散射僅占5%左右。 水中除低能光子外，康普頓散射是主要的。 NaI的Z高，主要是光電作用。 骨介于水和NaI之間，低能時主要是光電作用，較高能量時康普頓散射是主要的。,.,20,總結,對Z較低的軟組織，在射線能量很低時光電效應為主；放射攝影中常用鉬靶X線機產生的低能X線攝片，是為了增加光電效應的幾率使照片的對比度提高。 低能光子對高Z吸收物質，光電效應是主要作用形式，它能使照片產生很好對比度，但會增加被檢者的X線劑量。 康普頓效應是X線在人體內最常發(fā)生的作用，是X線診斷中散射線的最主要來源。散

8、射線增加了照片的灰霧，降低了對比度，但它與光電效應相比使被檢者的受照劑量較低。,.,21,.,22,光電效應,光電效應的概念 發(fā)生幾率 光電效應中的特征輻射 光電子的角分布 如何評價診斷放射學中的光電效應,.,23,1.光電效應概念,能量為h的光子通過物質時與原子的內層電子相互作用，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(光電子)，光子本身被原子吸收的作用過程稱為光電效應。,.,24,1.光電效應概念,放出光電子的原子所處的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，其電子空位很快被外層電子躍入填充，隨即發(fā)出特征X線光子。特征X線在離開原子之前，又將外層電子擊脫，稱為“俄歇電子”。 在人體組織中特

9、征X射線和俄歇電子的能量低于0.5keV，這些低能光子和電子很快被周圍組織吸收。,.,25,1.光電效應概念,光電效應的實質是什么呢？ 物質吸收X射線使其產生電離的過程。 由能量守恒定律知，發(fā)生光電效應時，入射X射線光子能量h和光電子的動能Ee滿足關系：,式中EB為原子第i層電子的結合能，與原子序數(shù)和殼層數(shù)有關。,.,26,例題：,用能量為5eV的光子照射某種金屬，產生的光電子的最大初動能為2.3eV，用能量為10eV的光子照射該金屬，產生的光電子的最大初動能為多大?,.,27,1.光電效應概念,光電效應產生： 負離子 (光電子、俄歇電子)； 正離子 (丟失電子的原子)； 新的光子 （特征輻射

10、）,.,28,2.發(fā)生幾率,入射光子必須有克服軌道電子結合能的足夠能量。碘的K電子結合能33.2keV，若光子能量是33keV，就不能擊脫該電子，但可擊脫M或L層電子。 光子能量電子結合能容易發(fā)生光電效應。如一個34keV的光子比100keV的光子更容易與碘的K層電子發(fā)生作用。光子能量愈大光電效應的發(fā)生幾率迅速減小。,.,29,2.發(fā)生幾率,軌道電子與原子核結合得愈緊密，就愈容易發(fā)生光電效應。 高Z物質，軌道電子的結合能較大，不僅K層而且其它殼層上的電子也較容易發(fā)生光電效應。 低Z物質，只有K電子結合能較大，所以光電效應幾乎都發(fā)生在K層。,.,30,2.發(fā)生幾率,由原子的內層脫出光電子的幾率比

11、由外層脫出光電子的幾率要大得多。若入射光子的能量大于K電子結合能，則光電效應發(fā)生在K層的幾率占80，比L層高出45倍。,.,31,2發(fā)生幾率,若X射線光子通過單位距離的吸收物質時，因光電效應而導致的衰減稱為光電線性衰減系數(shù)，用符號“”表示；而光電質量衰減系數(shù)，用符號“/”表示。 實驗和理論都準確地證明光電質量衰減系數(shù)與原子序數(shù)、光子能量之間的關系可表示為：,式中n是原子序數(shù)的函數(shù)，對低原子序數(shù)材料n近似取4，對高原子序數(shù)材料n近似取4.8,.,32,吸收限,.,33,2發(fā)生幾率,光電效應的概率在光子能量等于K、L、M電子結合能時發(fā)生突然的跳變，概率最大。 光電效應的概率特別大的地方稱為吸收限。

12、,.,34,3光電效應中的特征輻射,X線管中擊脫軌道電子的是陰極飛來的高速電子， 光電效應中是X線光子，結果是造成電子空位，產生特征輻射。,.,35,3光電效應中的特征輻射,X線光子把碘的K電子擊脫，造成一個K空位時，一般情況下都是鄰近殼層的電子躍入填充其空位。 L電子躍入填充時產生能量為28.3keV的光子輻射(33.24.928.3keV)； L空位由M電子躍入填充時放出一個4.3keV能量的光子(4.90.64.3keV)，一直繼續(xù)下去，直到33.2keV的能量全部轉換為光能為止。 K空位也可由外來的自由電子落入填充，這時將放出一個33.2keV的光子，這是碘的最大能量的特征輻射。,.,

13、36,3光電效應中的特征輻射,Ca是人體內Z最高的主要元素，它的K特征輻射只有4 keV，遠小于X線光子能量，在其發(fā)生后點幾毫米之內就被吸收了。 人體內其它元素的特征輻射的能量更小(0.5 keV)。 人體各組織由X線照射所產生光電效應的特征輻射將全被組織吸收。,.,37,4光電子的角分布,單位立體角內放出的光電子的角度分布由下式決定 ： 式中，是X射線光子的入射方向與光電子出射之夾角； 是光電子速度與光速之比。,.,38,.,39,4光電子的角分布,光電子的角分布與光子的能量有關，當光子能量很低時，光電子與入射方向成90角射出的幾率最大。 隨著光子能量的增加，光電子的分布逐漸傾向于前方（入射

14、方向）。,.,40,5診斷放射學中的光電效應,診斷放射學中的光電效應，可從利弊兩個方面進行評價。 光電效應能產生質量好的照片影像，原因： 不產生散射線，減少照片的灰霧； 增加人體不同組織和造影劑對射線的吸收差別，產生高對比度的X射線照片。 有害的方面是，入射X射線通過光電效應可全部被人體吸收，增加了受檢者的劑量。,.,41,5診斷放射學中的光電效應,從被檢者接收X射線劑量看光電效應是很有害的。 被檢者從光電效應中接收的X線劑量比其他任何作用都多。一個入射光子的能量通過光電作用全部被人體吸收，在康普頓散射中被檢者只吸收入射光子能量的一小部分。 從全面質量管理觀點講，應盡量減少每次X射線檢查的劑量

15、。,.,42,5診斷放射學中的光電效應,為此，應設法減少光電效應的發(fā)生。 由于光電效應發(fā)生概率與光子能量3次方成反比，利用這個特性在實際工作中采用高千伏攝影技術，從而達到降低劑量的目的。 不過，在乳腺X射線攝影中，要注意平衡對比度和劑量之間的矛盾。,.,43,二、康普頓效應,作用過程 散射光子及反沖電子 散射光子及反沖電子的角分布 作用幾率 診斷放射學中的康普頓效應 發(fā)現(xiàn)的意義,.,44,二、康普頓效應,.,45,1.作用過程,當能量為h的光子與原子的外層軌道電子相互作用時，光子交給軌道電子部分能量后，其頻率發(fā)生改變并與入射方向成角散射(康普頓散射光子)，獲得足夠能量的軌道電子則脫離原子與光子

16、入射方向成角的方向射出(康普頓反沖電子) 。 康普頓發(fā)現(xiàn)，簡稱康普頓效應或康普頓散射。,.,46,1.作用過程,康普頓效應產生： 反沖電子，反沖角度 散射光子，散射角度，頻率,.,47,2反沖電子及散射光子,只有入射光子能量遠遠超過電子在原子中的結合能(約10000倍)時，才容易發(fā)生康普頓效應。 實際常忽略軌道電子的結合能，把康普頓效應看成是入射光子與自由電子的碰撞。 象兩個球的碰撞(入射光子，自由電子)，碰撞時若光子從電子邊上擦過，偏轉角度很小，反沖電子獲得的能量也很小，散射光子保留了絕大部分能量；如果碰撞更直接些，光子的偏轉角度增大，損失的能量增多；正向碰撞時，反沖電子獲得的能量最多，這時

17、被反向折回的散射光子仍保留一定的能量。,.,48,2反沖電子及散射光子,.,49,2反沖電子及散射光子,矢量圖表示在康普頓散射中和入射光子方向成不同角度的散射光子與反沖電子能量分配的特性。h為入射光子能量，而h1、h2 為不同角度散射的光子能量。數(shù)字1、210標出的矢量是在光子散射時生成反沖電子的動能。 光子可在0180的整個空間范圍內散射，反沖電子飛出的角度不超過90。,.,50,2反沖電子及散射光子,散射光子能量和反沖電子動能T ：,.,51,當偏轉角為0 時，散射光子能量最大，反沖電子動能為零，這表明，在這種情況下，入射X射線光子從電子旁掠過，它的能量沒有損失。 當偏轉角為180時，散射

18、光子能量最小，相應地反沖電子動能最大。,.,52,2反沖電子及散射光子,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的改變?yōu)椋?表明對于給定的散射角，光子波長的改變與入射光子的能量無關。,.,53,2反沖電子及散射光子,表2-4 各種偏轉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 24.9 24.4 24 23 50 49.6 47.8 46 42 75 74.3 70 66 58 100 98.5 91 84 72 150 146 131 116 95,.,54,2反沖電子及散射光子,從表中數(shù)據(jù)看出，在康普頓散射中，

19、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。 小角度偏轉的光子，幾乎仍保留其全部能量。這會產生小角度的散射線不可避免地要到達膠片產生灰霧而降低照片的質量。 原因是散射線的能量大，濾過板不能將它濾除；由于它的偏轉角度小，所以也不能用濾線柵把它從有用線束中去掉。,.,55,例題,若一能量為20keV的光子與物質發(fā)生康普頓散射，則反沖電子獲得的最大能量是多少？ 事實上當光子的波長改變最大時，轉移給電子的能量最大。 當偏轉角為180時，最大改變波長為,.,56,在180方向上散射光子的波長為,散射光子的能量為,20keV光子的波長為,.,57,這樣，反沖電子的能量Ek為,通過此題進一步

20、說明了，當?shù)湍芄庾咏洑v康普頓作用時，入射光子的大部分能量被散射光子帶走，反沖電子僅獲得很少的能量。,.,58,3散射光子和反沖電子的角分布,康普頓散射光子的角分布，強烈地依賴于入射光子的能量。對0.1MeV的低能光子產生的散射光子對稱于90角分布，隨著光子能量的增加，散射光子趨于前方。 從曲線上一點到作用點的距離表示在該方向上散射線的強度。如果以X線的入射方向為軸旋轉一周就成為散射線強度的空間分布圖。,.,59,3.康普頓散射光子和反沖電子的角分布,.,60,3.康普頓散射光子和反沖電子的角分布,.,61,4.作用幾率,實驗和理論都可以準確證明康普頓質量衰減系數(shù)的表達式為 式中c2=c1N0是

21、另一個常數(shù)。,.,62,4.作用幾率,若X射線光子通過單位距離的吸收物質時，因康普頓效應而導致的衰減稱為康普頓線性衰減系數(shù)，用符號“”表示；而康普頓質量衰減系數(shù)，用符號“/”表示。 實驗和理論都準確地證明康普頓質量衰減系數(shù)與入射光子能量之間的關系可表示為：,.,63,4.作用幾率,隨著入射光子的能量的增加，光電效應發(fā)生概率下降，康普頓效應發(fā)生概率相對提高，在醫(yī)學影像上的表現(xiàn)是骨骼與軟組織的對比度下降。,.,64,4.作用幾率,既然康普頓效應涉及的是吸收物質中的自由電子，那么康普頓效應發(fā)生的概率與原子序數(shù)Z無關，僅與物質的每克電子數(shù)相關。 由于所有物質的每克電子數(shù)( )均十分接近 （氫除外），故

22、所有物質康普頓質量衰減系數(shù)幾乎相同。,.,65,.,66,5. 診斷放射學中的康普頓效應,康普頓效應中產生的散射線是輻射防護中必須引起注意的問題。 在X射線診斷中，從受檢者身上產生的散射線其能量與原射線相差很少，并且散射線比較對稱地分布在整個空間，這個事實必須引起醫(yī)生和技術人員的重視，并采取相應的防護措施。 另外，散射線增加了照片的灰霧，降低了影像的對比度，但與光電效應相比受檢者的劑量較低。,.,67,6.發(fā)現(xiàn)的意義,康普頓效應和光電效應都為光的粒子性提供了令人信服的證據(jù)。 然而，康普頓效應比光電效應更前進了一步，因為在解釋康普頓效應時不但要考慮能量守恒，還要考慮動量守恒。 這個效應既說明了光

23、的粒子性，也必須承認光的波動性，由此它為光的波粒二象性及德布羅意物質波假說提供了更完全的證據(jù)。 康普頓效應宣布于1923年，確證于1926年，1927年即獲得諾貝爾物理學獎，說明這一成果影響之大，有人甚至把康普頓效應看成是物理學的轉折點之一。,.,68,三、電子對效應,.,69,.,70,三、電子對效應,概念：在原子核場或原子的電子場中，一個入射光子突然消失而轉化為一對正、負電子。 正電子與電子的質量相等，所帶電量相等，性質相反。正電子與電子一樣，在物質中由于電離或激發(fā)逐漸耗盡其動能。 慢化的正電子在停止前的一剎那，很快與物質中的自由電子復合，隨即向相反方面射出兩個能量各為0.511 MeV的光子，這個現(xiàn)象稱為湮滅(annihilation)輻射。,.,71,三、電子對效應,原子核場中產生電子對效應時，入射光子的能量h2m0c2(2m0c2=1.02 MeV)。原子的電子場中，入射光子的能量h