《放射物理与防护》教学课件：4第四章2：X线与物质的相互作用.ppt

1、第四章第四章 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用潞河医院放射科潞河医院放射科 王珍琦王珍琦X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 X射线与物质相互作用的主要过程有：射线与物质相互作用的主要过程有：其他次要的作用过程有相干散射、光核其他次要的作用过程有相干散射、光核反应等。反应等。光电效应、康普顿效应、光电效应、康普顿效应、电子对效应。电子对效应。复习复习X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用K L M N hvhv光子光子跃迁跃迁特征辐射特征辐射光电子光电子Ee=hv-EB光电效应光电效应复习复习X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 当一个能量为当一个能量为hv的光子通过

2、物质时，它与的光子通过物质时，它与原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生相互作用，把全部能量传递给这个电子，相互作用，把全部能量传递给这个电子，而光子本身则整个被原子吸收而消失，获而光子本身则整个被原子吸收而消失，获得能量的电子摆脱原子的束缚以速度得能量的电子摆脱原子的束缚以速度v而自而自由运动，这种电子称为光电子，原子的电由运动，这种电子称为光电子，原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态，它将子轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射标识通过发射标识X射线或俄歇电子的形式很快射线或俄歇电子的形式很快回到基态，这种现象称为回到基态，这种现象称为光电效应光电效

3、应。复习复习X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 光电效应的实质：是物质吸收光电效应的实质：是物质吸收X线使其产生线使其产生电离的过程。电离的过程。在此过程中将产生的次级粒子有：光电子、在此过程中将产生的次级粒子有：光电子、正离子（产生光电子的原子）、新的光子正离子（产生光电子的原子）、新的光子（特征辐射光子）、俄歇电子。（特征辐射光子）、俄歇电子。复习复习X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 利处：能产生质量好的照片影像。利处：能产生质量好的照片影像。不产生散射线，大大减少了照片的灰雾；不产生散射线，大大减少了照片的灰雾；可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收可增加人体不同组织和

4、造影剂对射线的吸收差别，产生高对比度的差别，产生高对比度的X线照片，对提高诊线照片，对提高诊断的准确性很有好处。断的准确性很有好处。弊端：入射弊端：入射X线通过光电效应可全部被人体线通过光电效应可全部被人体吸收，增加了受检者的剂量。吸收，增加了受检者的剂量。复习复习X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 当入射当入射X射线光子和原子内一个轨道电子射线光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一部分能量，发生相互作用时，光子损失一部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子，这一过程称为子，这一过程称为康普顿效应康普顿效应。复习复习X射线与物质的

5、相互作用射线与物质的相互作用hv 入射光子入射光子外层电子或外层电子或自由电子自由电子反冲电子反冲电子1/2m1/2me ev v2 2散射光子散射光子hvhv 康普顿效应康普顿效应复习复习X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 1.康普顿效应中产生的散射线是辐射防护中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。医生和技术人员应必须引起注意的问题。医生和技术人员应进行相应的防护措施。进行相应的防护措施。2.散射线增加了照片的灰雾，使得照片影像散射线增加了照片的灰雾，使得照片影像的对比度降低。的对比度降低。X射线与物质相互作用的其他过程射线与物质相互作用的其他过程一、相干散射一、

6、相干散射 是指射线与物质相互作用而发生干涉的散是指射线与物质相互作用而发生干涉的散射过程。射过程。相干散射包括瑞利散射、核的弹性散射和相干散射包括瑞利散射、核的弹性散射和德布罗克散射。德布罗克散射。X射线与物质相互作用的其他过程射线与物质相互作用的其他过程 与康普顿散射相比，核的弹性散射和德布与康普顿散射相比，核的弹性散射和德布罗克散射的几率非常低，可以忽略不计。罗克散射的几率非常低，可以忽略不计。当入射光子在低能范围（如当入射光子在低能范围（如0.5200keV）时，瑞利散射的几率不可忽略，次时的相时，瑞利散射的几率不可忽略，次时的相干散射主要是瑞利散射。干散射主要是瑞利散射。X射线与物质相

7、互作用的其他过程射线与物质相互作用的其他过程 所以说，相干散射又称为瑞利散射。所以说，相干散射又称为瑞利散射。瑞利散射是指入射光子被原子的内壳层电瑞利散射是指入射光子被原子的内壳层电子吸收并激发到外层高能级上，随即又跃子吸收并激发到外层高能级上，随即又跃迁回原能级，同时放出一个能量与入射光迁回原能级，同时放出一个能量与入射光子相同，但传播方向发生改变的散射光子。子相同，但传播方向发生改变的散射光子。X射线与物质相互作用的其他过程射线与物质相互作用的其他过程 这种只改变传播方向，而光子能量不变的这种只改变传播方向，而光子能量不变的作用过程称之为瑞利相干散射。作用过程称之为瑞利相干散射。实际上就是

8、实际上就是X线的折射。线的折射。X射线与物质相互作用的其他过程射线与物质相互作用的其他过程 相干散射是光子与物质相互作用中唯一一相干散射是光子与物质相互作用中唯一一个不产生电离的过程。个不产生电离的过程。相干散射的发生几率与原子序数成正比，相干散射的发生几率与原子序数成正比，并随光子能量的增大而急剧地减少。并随光子能量的增大而急剧地减少。X射线与物质相互作用的其他过程射线与物质相互作用的其他过程二、光核作用二、光核作用 所谓光核作用，就是指光子和原子核作用所谓光核作用，就是指光子和原子核作用而发生的核反应。而发生的核反应。这是一个光子从原子核内击出数量不等的这是一个光子从原子核内击出数量不等的

9、中子、质子和中子、质子和光子的作用过程。光子的作用过程。X射线与物质相互作用的其他过程射线与物质相互作用的其他过程 光核作用在诊断光核作用在诊断X线能量范围内不可能发线能量范围内不可能发生，在医用电子加速器等的高能射线的生，在医用电子加速器等的高能射线的放疗中发生，但是发生率也很低。放疗中发生，但是发生率也很低。第四节第四节 各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率 X线与物质相互作用中产生三个主要效应，线与物质相互作用中产生三个主要效应，也就是入射光子能量在物质中发生转移，也就是入射光子能量在物质中发生转移，传播方向发生改变的过程。传播方向发生改变的过程。当一束当一束X线照射物体时，其中

10、一部分能量和线照射物体时，其中一部分能量和方向均不发生变化，而从原子内部的间隙方向均不发生变化，而从原子内部的间隙中直接透过；另一部分则被吸收和散射。中直接透过；另一部分则被吸收和散射。第四节第四节 各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率 直接透过直接透过 光电吸收光电吸收入射入射X线线 吸收和散射吸收和散射 散射散射 电子对效应电子对效应光电子光电子俄歇电子俄歇电子特征放射特征放射康普顿散射康普顿散射相干散射（折射）相干散射（折射）正电子、电子正电子、电子湮灭辐射光子湮灭辐射光子散射光子散射光子反冲电子反冲电子第四节第四节 各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率一、一、Z和和hv

11、与三种基本作用的关系与三种基本作用的关系 在在0.0110MeV这个最常见的能量范围内，这个最常见的能量范围内，除少数例外，几乎所有效应都是由三种基除少数例外，几乎所有效应都是由三种基本作用过程产生的。本作用过程产生的。第四节第四节 各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率100100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 00.01 0.05 0.1 1 5 10 50 1000.01 0.05 0.1 1 5 10 50 100光子能量（光子能量（MeVMeV）吸收体的原子序数吸收体的原子序数Z Z光电效应光电效应优势区间优势区间康普顿效应康普顿效应优势区间优势区间电子对

12、效应电子对效应优势区间优势区间第四节第四节 各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率 在光子能量较低时，除低在光子能量较低时，除低Z物质以外的所有物质以外的所有元素，都以光电效应为主；元素，都以光电效应为主；在在0.84MeV时，无论原子序数大小，几乎时，无论原子序数大小，几乎全部作用都是康普顿效应；全部作用都是康普顿效应；在大的在大的hv处则电子对效应占优势。处则电子对效应占优势。第四节第四节 各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率二、在诊断放射学中各种相互作用发生的相二、在诊断放射学中各种相互作用发生的相对几率对几率 在在20100keV诊断诊断X线能量范围内，只有光线能量范围内

13、，只有光电效应和康普顿效应是重要的；相干散射电效应和康普顿效应是重要的；相干散射所占比例很小，并不重要；电子对效应不所占比例很小，并不重要；电子对效应不可能发生。可能发生。第四节第四节 各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率X线能量线能量 水水Z=7.4 骨骨Z=13.8 碘化钠碘化钠Z=49.8 keV 光电光电 康普顿康普顿 光电光电 康普顿康普顿 光电光电 康普顿康普顿 20 70 30 89 11 94 660 7 93 31 69 95 5100 1 99 9 91 88 12 第四节第四节 各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率随随hv增大，光电效应几率下降。增大，光电

14、效应几率下降。对低对低Z物质的水呈迅速下降趋势；物质的水呈迅速下降趋势；对高对高Z物质的碘化钠呈缓慢下降趋势；物质的碘化钠呈缓慢下降趋势；对中等对中等Z物质的下降速度介于两者之间。物质的下降速度介于两者之间。第四节第四节 各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率 我们掌握不同能量的我们掌握不同能量的X线对不同线对不同Z物质的作物质的作用类型和几率，对研究提高用类型和几率，对研究提高X线影像质量，线影像质量，降低受照射剂量和优选屏蔽防护材料都有降低受照射剂量和优选屏蔽防护材料都有着重要的意义。着重要的意义。X线与物质的相互作用线与物质的相互作用 在诊断在诊断X射线能量范围内，光电吸收、康普射

15、线能量范围内，光电吸收、康普顿效应所占比例最大。顿效应所占比例最大。X线与物质的相互作用线与物质的相互作用 光电效应是一种全吸收效应，入射光子的光电效应是一种全吸收效应，入射光子的能量完全被组织吸收，因此不产生散射线，能量完全被组织吸收，因此不产生散射线，对于低对比度组织成像，提高光电效应发对于低对比度组织成像，提高光电效应发生几率可以提高影像对比度分辨率，但会生几率可以提高影像对比度分辨率，但会增加软组织对射线的能量吸收。增加软组织对射线的能量吸收。X线与物质的相互作用线与物质的相互作用 康普顿效应是一种散射效应，在高千伏摄康普顿效应是一种散射效应，在高千伏摄影及胸腹部影及胸腹部X线摄影时必

16、须使用滤线栅以消线摄影时必须使用滤线栅以消除散射线对影像质量的影响。除散射线对影像质量的影响。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1.X射线在物质内的传播过程中，同物质发生射线在物质内的传播过程中，同物质发生相互作用的种类有哪几种？相互作用的种类有哪几种？X X射线与物质相互作用的主要过程有：射线与物质相互作用的主要过程有：光电效应、康普顿效应、电子对效应。光电效应、康普顿效应、电子对效应。其他次要的作用过程有相干散射、光其他次要的作用过程有相干散射、光核反应等。核反应等。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用2.简述光电效应的产生？简述光电效应的产生？当一个能量为当一个能量为hvh

17、v的光子通过物质时，它与原子的某的光子通过物质时，它与原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生相互作用，把全部壳层中某个轨道上一个电子发生相互作用，把全部能量传递给这个电子，而光子本身则整个被原子吸能量传递给这个电子，而光子本身则整个被原子吸收而消失，获得能量的电子摆脱原子的束缚以速度收而消失，获得能量的电子摆脱原子的束缚以速度v v而自由运动，这种电子称为光电子，原子的电子而自由运动，这种电子称为光电子，原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射标轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射标识识X X射线或俄歇电子的形式很快回到基态，这种现射线或俄歇电子的形式很快回到基态，这种现象称为

18、象称为光电效应光电效应。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用3.光电效应的实质是什么？在此过程中产生光电效应的实质是什么？在此过程中产生的次级粒子有哪些？的次级粒子有哪些？光电效应的实光电效应的实质：是物质吸质：是物质吸收收X X线使其产生线使其产生电离的过程。电离的过程。在此过程中将产生在此过程中将产生的次级粒子有：光的次级粒子有：光电子、正离子（产电子、正离子（产生光电子的原子）、生光电子的原子）、新的光子（特征辐新的光子（特征辐射光子）、俄歇电射光子）、俄歇电子。子。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用4.光电效应的特征有什么？光电效应的特征有什么？1.1.把全部的能量传递给

19、这个电子；把全部的能量传递给这个电子；2.2.光电效应伴随有标识光电效应伴随有标识X X射线或俄歇射线或俄歇电子的产生；电子的产生；3.3.光电效应可发生在任何一个壳层，光电效应可发生在任何一个壳层，但在但在K K层发生的机率最大，层发生的机率最大，L L层次之，层次之，M M、N N层更次之。层更次之。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5.光电效应在临床中的利弊表现在哪里？光电效应在临床中的利弊表现在哪里？弊端：入射弊端：入射X X线通过光线通过光电效应可全电效应可全部被人体吸部被人体吸收，增加了收，增加了受检者的剂受检者的剂量。量。能产生质量好的照片影像。能产生质量好的照片影像。不

20、产生散射线，大大减少不产生散射线，大大减少了照片的灰雾；了照片的灰雾；可增加人体不同组织和造可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别，产影剂对射线的吸收差别，产生高对比度的生高对比度的X X线照片，对提线照片，对提高诊断的准确性很有好处。高诊断的准确性很有好处。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用6.简述康普顿效应的产生？简述康普顿效应的产生？答案：当入射答案：当入射X X射线光子和原子内一个射线光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一轨道电子发生相互作用时，光子损失一部分能量，并改变运动方向，电子获得部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子，这一过程称为康普顿能量而

21、脱离原子，这一过程称为康普顿效应。效应。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用7.康普顿效应在临床上有何意义？康普顿效应在临床上有何意义？1.康普顿效应中产生的散射线是辐射防护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。医生和技术人员中必须引起注意的问题。医生和技术人员应进行相应的防护措施。应进行相应的防护措施。2.散射线增加了照片的灰雾，使得照片影散射线增加了照片的灰雾，使得照片影像的对比度降低。像的对比度降低。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用8.光子与物质相互作用过程中哪一种不产生光子与物质相互作用过程中哪一种不产生电离？电离？A.光电效应光电效应 B.康普顿效应

22、康普顿效应 C.电子对效应电子对效应 D.相干散射相干散射 E.光核作用光核作用答案：答案：D D相干散射是光子与物质相干散射是光子与物质相互作用中唯一不产生相互作用中唯一不产生电离的过程。电离的过程。X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用9.在在X射线日常工作能量范围内，随着能量的射线日常工作能量范围内，随着能量的增大，光电效应的发生几率是如何随物质增大，光电效应的发生几率是如何随物质原子序数变化的？原子序数变化的？随随hvhv增大，光电效应几率下降。增大，光电效应几率下降。对低对低Z Z物质的水呈迅速下降趋势；物质的水呈迅速下降趋势；对高对高Z Z物质的碘化钠呈缓慢下降趋势；物质的碘化钠呈缓慢下降趋势；对中等对中等Z Z物质的下降速度介于两者之间。物质的下降速度介于两者之间。