X线与物质相互作用

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,X(或,)射线与物质的相互作用,1,教学目标,掌握：,X(或,)射线与物质的相互作用主要过程光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生机制和发生几率。,熟悉： X(或,)射线与物质作用规律在射线诊断、屏蔽防护中的应用。,了解： X(或,)射线与物质的相互作用的其他过程相干散射、光核反应。,2,第,一,节 X射线与物质相互作用,的,过程,X射线与物质相互作用的主要过程包括：,光电效应,(photoelectric effect),康普顿效应,(Compton effect),电子对效应,(electronic pair effect）,三种主要过程损失能量的绝大部分。其他次要过程有,相干散射,、,光核反应,等。,3,光电效应,光电效应的概念,发生几率,光电效应中的特征辐射,如何评价诊断放射学中的光电效应,4,能量为h的光子通过物质时与原子的,内层电子,相互作用，将,全部,能量交给电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为,自由电子(光电子),，光子本身被原子吸收的作用过程称为光电效应。,5,放出光电子的原子所处的状态是,不稳定,的，其电子空位很快被外层电子跃入填充，随即发出,特征X线光子,。特征X线在离开原子之前，又将外层电子击脱，称为“,俄歇电子,”。,在人体组织中特征X射线和俄歇电子的能量低于，这些低能光子和电子很快被周围组织吸收。,6,光电效应的实质是什么呢？,物质吸收X射线使其产生电离的过程。,由能量守恒定律知，发生光电效应时，入射X射线光子能量,h,和光电子的动能,E,e满足关系：,式中,E,B,为原子第,i,层电子的结合能，与原子序数和壳层数有关。,7,光电效应产生：,负离子,(光电子、俄歇电子)；,正离子,(丢失电子的原子)；,新的光子,（特征辐射）,8,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：,9,物质原子序数的影响：与物质原子序数的4次方成正比。,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，轨道电子的结合能较大，不仅K层而且其它壳层上的电子也较容易发生光电效应。低Z物质，只有K电子结合能较大，所以光电效应几乎都发生在K层。,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4-5倍。,10,入射光子能量的影响,条件：入射光子能量轨道电子结合能。,碘的K电子结合能，若光子能量是33keV，就不能击脱该电子，但可击脱M或L层电子。,发生几率与光子能量的3次方成反比。,如一个34keV的光子比100keV的光子更容易与碘的K层电子发生作用。,光子能量愈大光电效应的发生几率迅速减小。,11,2发生几率,原子边界吸收的影响,光电效应的概率在光子能量等于K、L、M电子结合能时发生突然的跳变，概率最大。,光电效应的概率特别大的地方称为吸收限。,物质原子的边界吸收特性在防护材料的选取、复合防护材料配方及阳性对比剂材料的制备等方面得到应用。,12,吸收限,13,3光电效应中的特征辐射,X线管中击脱轨道电子的是阴极飞来的,高速电子,，,光电效应中是,X线光子,，结果是造成电子空位，产生特征辐射。,14,4诊断放射学中的光电效应,诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个方面进行评价。,光电效应能产生,质量好,的照片影像，原因：,不产生散射线，减少照片的灰雾；,增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别，,产生高对比度的X射线照片。,有害的方面是，入射X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。,15,4诊断放射学中的光电效应,从被检者接收X射线剂量看光电效应是很有害的。,被检者从光电效应中接收的X线剂量比其他任何作用都多。一个入射光子的能量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一小部分。,从全面质量管理观点讲，应尽量减少每次X射线检查的剂量。,16,4诊断放射学中的光电效应,为此，应设法减少光电效应的发生。,由于光电效应发生概率与光子能量3次方成反比，利用这个特性在实际工作中采用高千伏摄影技术，从而达到降低剂量的目的。,不过，在乳腺X射线摄影中，要注意平衡对比度和剂量之间的矛盾。,17,二、康普顿效应,作用过程,作用几率,诊断放射学中的康普顿效应,18,二、康普顿效应,19,当能量为h的光子与原子的,外层轨道电子,相互作用时，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角散射,(康普顿散射光子),，获得足够能量的轨道电子则脱离原子与光子入射方向成角的方向射出,(康普顿反冲电子),。,康普顿发现，简称康普顿效应或康普顿散射。,20,康普顿效应产生：,反冲电子，反冲角度,散射光子，散射角度,，,频率,21,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,式中c,2,=c,1,N,0,是另一个常数。,22,物质原子序数的影响：与Z成正比,由于所有物质的每克电子数( )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。,入射光子能量的影响：与入射光子能量成反比,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，在医学影像上的表现是骨骼与软组织的对比度下降。,23,3. 诊断放射学中的康普顿效应,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。,在X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。,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。,24,三、电子对效应,25,三、电子对效应,概念：,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。,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激发逐渐耗尽其动能。,慢化的正电子,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各为0.511 MeV的光子，这个现象称为,湮灭(annihilation)辐射,。,26,三、电子对效应,原子核场中产生电子对效应时，入射光子的能量h2m,0,c,2,(2m,0,c,2,=1.02 MeV)。,设,+,、,-,分别表示正、负电子的动能，得： h2m,0,c,2,+,-,式中正、负电子的动能不一定相等，其能量是从0到最大值为Eh2mc,2,的,连续能谱,。,27,三、电子对效应,实验证明，电子对质量衰减系数与原子序数和光子能量的关系可表示为：,高能光子和高原子序数物质容易发生电子对效应。,28,相干散射,相干散射也称为经典散射或瑞利散射。,入射光子和束缚较牢固的内壳层轨道电子发生弹性散射。,在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子跃迁到高能级，随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子，但传播方向发生改变。实际上就是x线的折射。,相干散射是X射线光子与物质相互作用中唯一,不产生电离,的过程。,在整个诊断X射线的能量范围内都有相干散射产生，不过所占比例很小，对辐射屏蔽的影响不大，但在总的衰减系数计算中要考虑相干散射的贡献。,29,光核反应,所谓光核反应，就是光子与原子核作用而发生的核反应。,这是一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和,光子的作用过程。,对不同物质只有当光子能量大于该物质发生核反应的阈能时，光核反应才会发生。其发生率不足主要作用过程的5%。因此，从入射光子能量被物质所吸收的角度考虑，光核反应并不重要。但应注意到，某些核素在进行光核反应时，不但产生中子，而且反映的产物是放射性核素。,光核反应在诊断X射线能量范围内不可能发生。,在医用电子加速器等高能射线的放疗中发生率也很低。,30,第,二,节 各种作用发生的相对几率,一、X线引发的各种效应,吸收和散射,入射,X,线,直接透过,光电吸收,电子对效应,散射,光电子,俄歇电子,特征放射,康普顿散射,相干散射,散射光子,反冲电子,正电子、电子,湮灭辐射光子,31,二、Z和hv与三种基本作用的关系,32,总结,在10MeV范围内，产生光电效应、康普顿效应和电子对效应三个基本过程。,在,光子能量较低,时,除低Z以外的所有元素都以光电效应为主。,光子能量在,4MeV,时，无论Z多大，康普顿效应都占主导地位。,大的h处电子对效应占优势。图中的曲线表示两种相邻效应正好相等处的Z和h值。,在20100keV的诊断X线范围内，光电效应和康普顿效应是重要的，相干散射不占主要地位，电子对效应不可能发生。,33,三、在诊断放射学中各种基本作用发生的相对几率,水、致密骨和NaI对20100keV,的光子能量所发生的各种作用的百分数。,34,诊断放射学中作用几率与有效原子序数和能量的关系,35,用水来说明低Z组织的情况，如空气、脂肪和肌肉。,致密骨含有大量钙质，代表中等Z的物质。,相干散射仅占5%左右。,水中除低能光子外，康普顿散射是主要的。,NaI的Z高，主要是光电作用。,骨介于水和NaI之间，低能时主要是光电作用，较高能量时康普顿散射是主要的。,总结,36,课堂总结,射线在医学中的应用基础是射线与物质的相互作用，在诊断X线能量范围内，光电效应、康普顿效应所占比例最大。,光电效应对低能光子对高Z吸收物质，是主要作用形式，它能使照片产生很好对比度，但会增加被检者的X线剂量。,康普顿效应是X线在人体内最常发生的作用，是X线诊断中散射线的最主要来源。散射线增加了照片的灰雾，降低了对比度，但它与光电效应相比使被检者的受照剂量较低。,37,课堂测评,1不是光电效应的产物的是,A光电子 B正离子 C特征辐射,D俄歇电子E轫致辐射,A和管电流成正比,B 和原子序数的四次方成反比,C和原子序数的三次方成正比,D大约和能量的四次方成正比,E大约和能量的三次方成反比,E,E,38,3在诊断X线能量范围内，错误的是,A不发生电子对效应 B不发生光核反应,C相干散射不产生电离过程,D康普顿效应产生的几率与能量成反比,E光电效应产生的几率与能量成正比,4关于康普顿效应的发生几率错误的是,A与物质的原子序数成正比,B与入射光子的频率成反比,C与入射光子的能量成反比,D与入射光子的波长成正比,E与入射光子的频率成正比,E,E,39,5关于电子对效应的发生几率正确的是,A与物质的原子序数的平方成反比,B与入射光子的能量成正比,C与入射光子的波长成正比,D与单位体积内的原子个数成反比,E与物质的原子序数的平方成正比,6产生了特征X射线现象的是,A光核反应 B电子对效应 C康普顿效应 D相干散射 E光电效应,7散射线主要产生于,A汤姆逊效应 B光电效应 C电子对效应 D光核效应 E康普顿效应,E,E,E,40,9诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个方面进行评价，有利的方面是,A不产生散射线，大大减少了照片的灰雾,B可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别 C可产生高对比度的X射线照片,D钼靶乳腺X射线摄影，就是利用低能X射线在软组织中因光电吸收的明显差别产生高对比度照片的,E以上都是,E,41,10下列描述正确的是,A入射X射线通过光电效应可全部被人体吸收,B增加了受检者的剂量,C从全面质量管理观点讲，应尽量减少每次X射线检查的剂量，应设法减少光电效应的发生,D由于光电效应发生概率与光子能量3次方成反比，利用这个特性在实际工作中采用高千伏摄影技术，从而达到降低剂量的目的。不过，在乳腺X射线摄影中，要注意平衡对比度和剂量之间的矛盾。,E以上都对,E,42,课后作业,X射线光子与物质发生相互作用的作用过程是能量传递的过程。当入射光子的能量取值不同时，发生的作用形式是不同的。,1光电效应的发生条件是,A人射光子能量与轨道电子结合能必须是接近相等,B入射光子能量远远小于轨道电子结合能,C入射光子能量远远大于轨道电子结合能,D入射光子能量稍小于轨道电子结合能,E入射光子能量与外层轨道电子结合能相等,43,2当入射光子能量远远大于原子外层轨道电子的结合能时发生,A相干散射 B光电效应 C康普顿效应,D电子对效应E光核作用,3当入射光子能量等于或大于102MeV时可以出现,A相干散射 B光电效应 C康普顿效应,D电子对效应 E光核作用,44,