3.X线与物质的相互作用分析课件.ppt
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- 物质 相互作用 分析 课件
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1、1X(或)射线与物质的相互作用2教学目标教学目标l 掌握:掌握: X(X(或或) )射线与物质的相互作用主要过射线与物质的相互作用主要过程程光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生机制和发生几率。机制和发生几率。l 熟悉:熟悉: X( X(或或) )射线与物质作用规律在射线诊断、射线与物质作用规律在射线诊断、屏蔽防护中的应用。屏蔽防护中的应用。l 了解:了解: X( X(或或) )射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用的的其他过其他过程程相干散射、光核反应。相干散射、光核反应。3第第一节一节 X X射线与物质相互作用射线与物质相互作用的的过程过程lX X射
2、线与物质相互作用的主要过程包括:射线与物质相互作用的主要过程包括:l光电效应光电效应 (photoelectric effect)(photoelectric effect)l康普顿效应康普顿效应(Compton effect)(Compton effect)l电子对效应电子对效应(electronic pair effect(electronic pair effect)l三种主要过程损失能量的绝大部分。其三种主要过程损失能量的绝大部分。其他次要过程有他次要过程有相干散射相干散射、光核反应光核反应等。等。4光电效应光电效应l光电效应的概念光电效应的概念l发生几率发生几率l光电效应中的特征辐射
3、光电效应中的特征辐射l如何评价诊断放射学中的光电效应如何评价诊断放射学中的光电效应51.1.光电效应概念光电效应概念l 能量为能量为hh的光子通过的光子通过物质时与原子的物质时与原子的内层内层电子电子相互作用,将相互作用,将全全部部能量交给电子,获能量交给电子,获得能量的电子摆脱原得能量的电子摆脱原子核的束缚成为子核的束缚成为自由自由电子电子( (光电子光电子) ),光子,光子本身被原子吸收的作本身被原子吸收的作用过程称为光电效应。用过程称为光电效应。61.1.光电效应概念光电效应概念l 放出光电子的原子所放出光电子的原子所处的状态是处的状态是不稳定不稳定的,的,其电子空位很快被外其电子空位很
4、快被外层电子跃入填充,随层电子跃入填充,随即发出即发出特征特征X X线光子线光子。特征特征X X线在离开原子之线在离开原子之前,又将外层电子击前,又将外层电子击脱,称为脱,称为“俄歇电俄歇电子子”。l 在人体组织中特征在人体组织中特征X射射线和俄歇电子的能量线和俄歇电子的能量低于低于0.5keV,这些低,这些低能光子和电子很快被能光子和电子很快被周围组织吸收。周围组织吸收。71.1.光电效应概念光电效应概念l 光电效应的实质是什么呢?光电效应的实质是什么呢?l 物质吸收物质吸收X射线使其产生电离的过程。射线使其产生电离的过程。l 由能量守恒定律知,发生光电效应时,入射由能量守恒定律知,发生光电
5、效应时,入射X射线射线光子能量光子能量h和光电子的动能和光电子的动能Ee满足关系:满足关系:BeEEh式中式中EB为原子第为原子第i层电子的结合能,与原子序数和壳层数有关。层电子的结合能,与原子序数和壳层数有关。81.1.光电效应概念光电效应概念光电效应产生:光电效应产生:l 负离子负离子 ( (光电子、俄歇电光电子、俄歇电子子) );l 正离子正离子 ( (丢失电子的原丢失电子的原子子) );l 新的光子新的光子 (特征辐射)(特征辐射)92.2.发生几率发生几率l 实验和理论都可以准确的证明光电质量衰减系数实验和理论都可以准确的证明光电质量衰减系数的表达式为:的表达式为:341zAcm为入
6、射线的波长。为入射线的波长。是一个常数,是一个常数,是原子量,是原子量,式中:式中:1cA102.发生几率l物质原子序数的影响:与物质原子序数的物质原子序数的影响:与物质原子序数的4 4次方成正比。次方成正比。l轨道电子与原子核结合得愈紧密,就愈容易发轨道电子与原子核结合得愈紧密,就愈容易发生光电效应。高原子序数物质,轨道电子的结生光电效应。高原子序数物质,轨道电子的结合能较大,不仅合能较大,不仅K K层而且其它壳层上的电子也层而且其它壳层上的电子也较容易发生光电效应。低较容易发生光电效应。低Z Z物质,只有物质,只有K K电子结电子结合能较大,所以光电效应几乎都发生在合能较大,所以光电效应几
7、乎都发生在K K层。层。l在满足光电效应的能量条件下,内层比外层电在满足光电效应的能量条件下,内层比外层电子发生光电效应的几率可高出子发生光电效应的几率可高出4-54-5倍。倍。112.2.发生几率发生几率l入射光子能量的影响入射光子能量的影响l条件:入射光子能量条件:入射光子能量轨道电子结合能。轨道电子结合能。l碘的碘的K K电子结合能电子结合能33.2keV33.2keV,若光子能量是,若光子能量是33keV33keV,就不能击脱该电子,但可击脱,就不能击脱该电子,但可击脱M M或或L L层电子。层电子。l发生几率与光子能量的发生几率与光子能量的3 3次方成反比。次方成反比。l如一个如一个
8、34keV34keV的光子比的光子比100keV100keV的光子更容易的光子更容易与碘的与碘的K K层电子发生作用。层电子发生作用。光子能量愈大光光子能量愈大光电效应的发生几率迅速减小。电效应的发生几率迅速减小。122 2发生几率发生几率l 原子边界吸收的影响原子边界吸收的影响l 光电效应的概率在光子能量等于光电效应的概率在光子能量等于K、L、M电子结合电子结合能时发生突然的跳变,概率最大。能时发生突然的跳变,概率最大。l 光电效应的概率特别大的地方称为吸收限。光电效应的概率特别大的地方称为吸收限。l 物质原子的边界吸收特性在防护材料的选取、复合物质原子的边界吸收特性在防护材料的选取、复合防
9、护材料配方及阳性对比剂材料的制备等方面得到防护材料配方及阳性对比剂材料的制备等方面得到应用。应用。13吸收限吸收限143 3光电效应中的特征辐射光电效应中的特征辐射lX X线管中击脱轨线管中击脱轨道电子的是阴极道电子的是阴极飞来的飞来的高速电子,l光电效应中是光电效应中是X X线光子线光子,结果是,结果是造成电子空位,造成电子空位,产生特征辐射。产生特征辐射。154 4诊断放射学中的光电效应诊断放射学中的光电效应l诊断放射学中的光电效应,可从利弊两个诊断放射学中的光电效应,可从利弊两个方面进行评价。方面进行评价。 l光电效应能产生光电效应能产生质量好质量好的照片影像,原因:的照片影像,原因:l
10、不产生散射线,减少照片的灰雾;不产生散射线,减少照片的灰雾;l增加人体不同组织和造影剂对射线的吸增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别,收差别,产生高对比度的产生高对比度的X X射线照片。射线照片。l有害的方面是,入射有害的方面是,入射X射线通过光电效应可射线通过光电效应可全部被人体吸收,增加了受检者的剂量。全部被人体吸收,增加了受检者的剂量。164诊断放射学中的光电效应l从被检者接收从被检者接收X X射线剂量看光电效应是很射线剂量看光电效应是很有害的。有害的。l被检者从光电效应中接收的被检者从光电效应中接收的X X线剂量比其线剂量比其他任何作用都多。一个入射光子的能量他任何作用都多。一个入
11、射光子的能量通过光电作用全部被人体吸收,在康普通过光电作用全部被人体吸收,在康普顿散射中被检者只吸收入射光子能量的顿散射中被检者只吸收入射光子能量的一小部分。一小部分。l从全面质量管理观点讲,应尽量减少每从全面质量管理观点讲,应尽量减少每次次X射线检查的剂量。射线检查的剂量。174诊断放射学中的光电效应l为此,应设法减少光电效应的发生。为此,应设法减少光电效应的发生。l由于光电效应发生概率与光子能量由于光电效应发生概率与光子能量3次方次方成反比,利用这个特性在实际工作中采成反比,利用这个特性在实际工作中采用高千伏摄影技术,从而达到降低剂量用高千伏摄影技术,从而达到降低剂量的目的。的目的。l不过
12、,在乳腺不过,在乳腺X射线摄影中,要注意平衡射线摄影中,要注意平衡对比度和剂量之间的矛盾。对比度和剂量之间的矛盾。18二、康普顿效应二、康普顿效应l作用过程作用过程l作用几率作用几率l诊断放射学中的康普顿效应诊断放射学中的康普顿效应19二、康普顿效应201.作用过程l当能量为当能量为hh的光子与原子的的光子与原子的外层轨道电子外层轨道电子相相互作用时,光子交给轨道电子部分能量后,其互作用时,光子交给轨道电子部分能量后,其频率发生改变并与入射方向成频率发生改变并与入射方向成角散射角散射( (康普康普顿散射光子顿散射光子) ),获得足够能量的轨道电子则脱,获得足够能量的轨道电子则脱离原子与光子入射
13、方向成离原子与光子入射方向成角的方向射出角的方向射出( (康康普顿反冲电子普顿反冲电子) ) 。l康普顿发现,简称康普顿效应或康普顿散射。康普顿发现,简称康普顿效应或康普顿散射。211.作用过程l 康普顿效应产康普顿效应产生:生:l 反冲电子,反冲电子,反冲角度反冲角度l 散射光子,散射光子,散射角度散射角度,频率频率222.作用几率作用几率l 实验和理论都可以准确证明康普顿质量衰减系数实验和理论都可以准确证明康普顿质量衰减系数的表达式为的表达式为l 式中式中c2=c1N0是另一个常数。是另一个常数。ZAcZANc201m232.作用几率作用几率l 物质原子序数的影响:与物质原子序数的影响:与
14、Z成正比成正比l 由于所有物质的每克电子数由于所有物质的每克电子数( )均十分接近均十分接近 (氢除外),故所有物质康普顿质量衰减系数几乎相同。(氢除外),故所有物质康普顿质量衰减系数几乎相同。ZAN0l 入射光子能量的影响:与入射光子能量成反比入射光子能量的影响:与入射光子能量成反比l 随着入射光子的能量的增加,光电效应发生概率随着入射光子的能量的增加,光电效应发生概率下降,康普顿效应发生概率相对提高,在医学影下降,康普顿效应发生概率相对提高,在医学影像上的表现是骨骼与软组织的对比度下降。像上的表现是骨骼与软组织的对比度下降。243. 诊断放射学中的康普顿效应l 康普顿效应中产生的散射线是辐
15、射防护中必须引康普顿效应中产生的散射线是辐射防护中必须引起注意的问题。起注意的问题。l 在在X射线诊断中,从受检者身上产生的散射线其射线诊断中,从受检者身上产生的散射线其能量与原射线相差很少,并且散射线比较对称地能量与原射线相差很少,并且散射线比较对称地分布在整个空间,这个事实必须引起医生和技术分布在整个空间,这个事实必须引起医生和技术人员的重视,并采取相应的防护措施。人员的重视,并采取相应的防护措施。l 另外,散射线增加了照片的灰雾,降低了影像的另外,散射线增加了照片的灰雾,降低了影像的对比度,但与光电效应相比受检者的剂量较低。对比度,但与光电效应相比受检者的剂量较低。25三、电子对效应三、
16、电子对效应26三、电子对效应三、电子对效应l 概念:概念:在原子核场或原子的电子场中,一个入射在原子核场或原子的电子场中,一个入射光子突然消失而转化为一对正、负电子。光子突然消失而转化为一对正、负电子。l 正电子与电子的质量相等,所带电量相等,性质正电子与电子的质量相等,所带电量相等,性质相反。正电子与电子一样,在物质中由于电离或相反。正电子与电子一样,在物质中由于电离或激发逐渐耗尽其动能。激发逐渐耗尽其动能。l 慢化的正电子慢化的正电子在停止前的一刹那,很快与物质中在停止前的一刹那,很快与物质中的自由电子复合,随即向相反方面射出两个能量的自由电子复合,随即向相反方面射出两个能量各为各为0.5
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