5-1第五章 第一节 X线与物质的相互作用解析
第五节射线与物质的相互作用-精品
间接电离(或次级电离) —— 通常脱离出来的自由电子也
具有较大的动能，继而又引起其他原 子或分子的再次电离。 电子损失动能后，最终附着在原子或 分子上成为负离子。
当放射性核素所发出的α粒子能量不 够大时，其轫致辐射可以忽略。
β粒子在空气和水中的辐射损失较少，
只是在原子序数较高的钨和铅中，辐
射损失达到总能量损失的
1
％。
3、射程 ( range )
—— 带电粒子在气体中由开始到停 止所通过的最大距离。
带电粒子在通过物质时，由于电离、 激发、散射和轫致辐射，其能量不断 地损失，最后停止下来。
测量β粒子的能量与β粒子的电离比 值关系来表征出β粒子的电离情况。
2、带电粒子的散射：
散射 (scattering) —— 当带电粒子 通过物质时，受原子核静电作用而改 变其运动方向的现象。
依前述知α粒子质量远大于β粒子的 质量，故α粒子的散射现象不太明显， 其径迹基本上呈一直线，而β 粒子 的散射则十分明显。
光电效应、康普顿散射和电子对生 成。
此外还可能发生光致核反应、核共 振反应和相干散射，只是可能性一 般很小。
当能量很高(大于 30 MeV )时，才 考虑光致核反应和核共振反应；
而当能量很低(小于 100 keV )时， 才虑及相干散射。
1．光电效应 (photo electric effect)
Ra 226
88
射出的α粒子，其开
始速度约 15 000 km／s，在空气中
X射线与物质相互作用
x射线的性质
穿透性
波长
x射线具有强穿透性，能够穿透一定厚 度的物质。
x射线波长较短，可用于高精度检测和 成像。
能量
x射线具有特定能量，可用于物质成分 分析。
x射线的应用
医学诊断
x射线用于医学影像诊断，如拍片、CT等。
工业检测
x射线用于工业无损检测，如焊接、铸件等。
安全检查
x射线用于机场、海关等安全检查，检测违禁品。
02
03
操作人员培训
采用铅板、铅玻璃等材料对X射 线设备进行屏蔽，减少辐射泄漏。
对操作人员进行专业培训，确保 他们了解安全标准和操作规范， 避免误操作。
操作规范与注意事项
操作前准备
确保X射线设备正常工作，检 查电源、电缆、控制台等是 否完好。
操作过程
按照操作规程进行操作，避 免长时间暴露于X射线辐射下 。
晶体取向
X射线衍射可以用来确定晶体在样品中的取向，有 助于了解晶体生长和排列的规律。
微观结构
结合显微镜技术，X射线可以用来观察样品 的微观结构，如晶粒大小、相分布等，有助 于了解材料的性能和行为。
05
安全与防护
x射线的生物效应
细胞损伤
01
高强度X射线可导致细胞结构损伤，引发DNA断裂和细胞死亡。
这一过程对物质的密度、原子序数和光子能量都有一定影响。
03
x射线衍射
晶体结构与x射线衍射
晶体结构对x射线衍射的影响
晶体结构中的原子或分子的规则排列会对x射线产生衍射现象，通过分析衍射图 谱可以推断晶体的结构特征。
x射线衍射的原理
当x射线通过晶体时，会受到晶体中原子或分子的散射，散射波在某些方向上相 互加强，形成衍射波，通过测量衍射波的方向可以推导出晶体的结构信息。
X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用X射线与物质的相互作用一次就可能损失全部能量或大部分能量，而未与物质发生相互作用的X射线将保持初始的能量穿过物质，因此用作用截面来描述它与物质的相互作用，作用截面的物理意义是一个光子与单位面积上一个原子发生作用的几率，它具有面积的量纲。
主要作用如下：光电效应，当一个γ光子与物质原子中的束缚电子作用时，光子将全部能量交给这个电子，使它脱离原子的束缚而发射出去，而光子本身消失，这个过程称为光电效应。
发射出去的电子叫光电子。
如下图：图1光电效应示意图原子的内层失掉一个电子后，原子处于激发态，这种状态不稳定，很快通过两种方式退激。
一种是外层电子向内层空位跃迁，并发射特征X射线以释放多余的能量；另一种是多余的能量直接使外层电子从原子中发射出来，这样发射的电子称为俄歇电子。
如下图：图2光电效应后原子的两种退激方式康普顿散射：光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子把部分能量转移给电子使其从原子内部反冲出来，而能量降低了的光子沿着与原来运动方向不同的角度散射出去，这个过程称为康普顿散射。
康普顿效应示意图如下：图3康普顿效应示意图电子对效应：γ光子可能在原子核的库仑场作用下，转化为一个正电子和一个负电子，γ光子本身消失，这种过程称电子对效应。
如下图：图4电子对效应示意图在常见的能量范围内，如几KeV到十几MeV范围内，X射线与物质的相互作用主要有：光电效应、康普顿效应和电子对效应这三类过程。
这三类效应的反应截面与X射线的能量有关，但在一定的能量区域只有一种效应占优势，这三种主要的相互作用过程存在着竞争。
如下图所示。
当光子能量在0.8至4MeV之间时，无论原子序数Z多少，康普顿效应都占主导地位；在很宽的光子能量范围内，对于低能X射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势；中能X射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势；而对于高能X射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势；如下图所示：图5光子三种主要相互作用与吸收物质原子序数和光子能量的关系其它相互作用：前面讨论的光子与物质相互作用是从光子的粒子性来讨论的，对应于光子的波动性，存在着相干散射（如瑞利散射等）和光核反应等作用过程。
X射线与物质的相互作用课件
E光子
hc
WK
WL
hc
WK WL
3、莫塞莱定律（Moseley） ν1/2＝K΄（Z－σ）
or （1/λ）1/2＝K（Z－σ） 式中：ν、λ分别为特征X射线的频率和波长；
Z—阳极靶元素的原子序数； K΄、K、σ均为常数。
应用： ①是波谱分析的基本依据； ②利用它可以发明新的元素。
⑤若改变阳极靶元素
则X—ray谱形式不变，上述规律也不变，但谱线位置变化。 通常，随着原子序数增大，各种波长的相对强度增大。
连续谱线的产生原因：
因为不同的电子，损耗不同，则转变 的X—ray光子能量不同，其波长就不同。 由于存在大量电子，故可以得到各种波长的 X—ray，从而形成连续X—ray谱。
（2）在医学中的应用：
a. 医学诊断： 上世纪六十年代，南非出生的美国物理学家科
马克（Cormark）和英国电气工程师洪斯菲尔德 （Hounsfield）提出用计算机控制 X 射线断层扫描 原理，并发明X射线断层扫描仪（XCT），使医生 能看到人体内脏器官横断面图象，从而准确诊断病 症，他们两人共享了1979年诺贝尔生物学及医学奖。
从1914到1924年中，就有五位物理学家（劳 厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究 X 射 线及其应用方面获得了诺贝尔物理学奖。
X
射 线 管
劳 厄 斑 点
铅 屏
底 片 晶体
晶体可看作三维立 体光栅, 根据劳厄斑点 的分布, 可算出晶面间 距掌握晶体点阵结构.
晶体结构
晶体结构
原子结构
成分分析
第一节 X射线的物理基础
1.1.1 X射线的发现与应用 1.1.2 X射线的本质 1.1.3 X射线的产生及X射线管 1.1.4 X射线谱（X—ray line） 1.1.5 X射线与物质的相互作用
X线与物质的相互作用
X线与物质的相互作用X线是一种高能电磁辐射，具有很强的穿透力和能量。
当X线与物质相互作用时，会发生一系列的物理过程，包括散射、吸收和荧光等。
这些相互作用的方式和过程对于X线的应用和对物质的分析具有重要意义。
首先，X线经过物质时会发生散射现象。
散射是指X线的方向发生改变，但其频率不变。
散射分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指X线与物质相互作用后，X线的能量和频率保持不变，而方向变化。
非弹性散射则是指X线的能量和频率发生改变。
散射现象可以用来研究物质的结构和组成，例如通过测量散射角度可以得到物质的晶体结构信息，通过散射谱可以分析物质的元素含量。
其次，X线在物质中会被吸收。
吸收是指X线的能量被物质吸收，并转化为其他形式的能量。
物质对X线的吸收程度取决于其密度和原子序数。
高密度和高原子序数的物质对X线的吸收更强。
利用物质对X线的不同吸收特性，可以进行X射线吸收测定，即通过测量透射X线的强度变化来确定物质的含量或浓度。
此外，物质还会产生X射线荧光。
当X线照射到物质上时，物质中的原子会受到激发，从能级较高的态转移到能级较低的态。
在这个过程中，物质会发射出一定能量的X射线。
这种现象被称为X射线荧光。
利用X射线荧光分析技术可以进行非破坏性的物质分析，例如矿石中的金属元素含量的测定等。
此外，X线还能通过共振现象与物质发生相互作用。
共振是指当X线的能量和物质的激发能级之间存在相等关系时，X线与物质之间会发生共振吸收。
这种共振吸收现象可以用来研究物质的电子结构和原子核结构。
通过测量共振吸收谱，可以获得物质的电子能级和原子核能级的信息。
综上所述，X线与物质的相互作用包括散射、吸收、荧光和共振等现象。
这些相互作用的方式和过程提供了丰富的物理信息，可以用来研究物质的结构、组成、含量等。
X射线技术在材料科学、地球科学、生物医学等领域有广泛的应用，为科学研究和工业生产提供了重要的手段和方法。
5-1第五章 第一节 X线与物质的相互作用
5．光电子的角分布
光电子的角分布与光子的能量有关，当光 子能量很低时，光电子与入射方向成90° 角射出的几率最大。 随着光子能量的增加，光电子的分布逐渐 倾向于前方（入射方向）。
*二、康普顿效应
*1．概念 当能量为hν 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φ 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θ 角的方向射出(康 普顿反冲电子) 。 康普顿和吴有训首先发现，称康普顿-吴 有训效应，简称康普顿效应或康普顿散 射。
光子能量加倍，光电效应的发生几率减少到原来的1/8。
2．发生几率
③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Z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。 由原子的内层脱出光电子的几率比由外层脱出 光电子的几率要大得多。若入射光的能量大于 K电子结合能，则光电效应发生在K层的几率占 80％，比L层高出4～5倍。 光电效应几率∝Z4
3．散射光子和反冲电子的角分布
康普顿效应产生的 散射线是辐射防护 中必须注意的问题。 X线诊断过程中从 病人身上产生的散 射线能量与原射线 相差很少，并且散 射线比较对称地分 布在整个空间，必 须引起重视。
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0.51 MeV的光子(图2-26)，这 个现象称为湮灭(annihilation)辐射。
X线与物质的相互作用教学稿件
X线在不均匀介质中可能发生散射现象，导致强度降低和图像失真。
散射
X线在不均匀介质中的传播
X线在物质中传播时，能量会被吸收而逐渐衰减。
X线在物质中传播时，部分能量会被散射而损失，导致强度降低。
X线在物质中的衰减
散射衰减
吸收衰减
04
CHAPTER
X线成像原理
穿透作用
荧光作用
感光作用
生物效应
X线成像的基本原理
使用铅围裙、铅眼镜等防护用品，减少辐射对敏感部位的照射。
防护原则
遵循“合理降低剂量、减少不必要的暴露”的原则，采取有效的防护措施。
减少曝光时间和次数
尽量缩短X线检查的时间和次数，避免重复检查。
X线的防护措施
06
CHAPTER
实验与实践环节
掌握X线与物质相互作用的基本原理。
学会利用实验观察和分析X线与物质相互作用的现象。
普通X线成像
利用计算机技术和数字化技术，将X线影像转化为数字信号，进行数字化处理和显示。
数字X线成像
利用多角度X线扫描和计算机重建技术，生成三维图像。
CT成像
利用磁场和射频脉冲，使人体组织中的氢原子发生共振，通过计算机重建图像。
MRI成像
X线成像的种类
X线成像的质量因素
X线影像中不同组织之间的密度差异，影响影像的清晰度和辨识度。
培养学生对实验数据的处理和归纳能力。
实验目的与要求
观察X线在空气中的传播
实验一
观察X线在物质中的穿透和吸收
实验二
观察X线在物质中的散射和衍射
实验三
利用计算机模拟X线与物质的相互作用
实验四
实验内容与方法
X线在空气中的传播路径和衰减规律
3.X线与物质的相互作用分析
1
教学目标
掌握： X(或γ )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γ )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γ )射线与物质的相互作用的其他过 程—相干散射、
（氢除外），故所有物质康普顿质量衰减系数几乎相同。
②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
8
2.发生几率
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：
c1 4 3 m z A
式中：A是原子量，c1 是一个常数，为入射线的波长。
9
2.发生几率
①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。
18
二、康普顿效应
19
1.作用过程
当能量为hν 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φ 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θ 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。
6
X射线与物质相互作用
第三节 X 射线与物质相互作用我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透 射光电效应等一、X 射线的散射X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使 X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X 射线的散射现象可分为相干散射和非 相干散射。
1、相干散射及散射强度当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被 迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射 X 射线波长相同的散 射X 射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位 相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为 m 的电子，在与入射线呈29角度方向 上距离为R处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为：2(1 cos 2v2它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射 称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X射线衍射技术的基础。
2、非相干散射 当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性 碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿 散射l e =| 0 4 e 2~2 4 R m C 因子l e =l 0 7.9 10 ^6 R 2(1 cos 2 2^ 2这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底， 给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、 X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是 X 射线射线光子数的减少，而不是 X 射线能量的减少。
所以，透射 X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是 X 射线与原子的相互作用，其基本原理 是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的 X 射线易穿过 物质，长波长X 射线易被物质吸收。
x线与物质相互作用解读
X线与物质相互作用
2019/3/1
1
当X-ray进入物体时，会有三种情形发生： 被物体吸收 （Absorption)
产生散射现象（Scatter） 穿透（Penetration）
2019/3/1 2
• 相比于电子在靶物质中的情况，光子在物质中：
– 电离 – 激发 – 生热 – 碰撞损失 – 生物效应
2019/3/1 13
2019/3/1
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• 对照片质量的影响 不产生散射线
增强天然对比度
2019/3/1
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• 对被检者的影响： 增加了辐射剂量 应对方法： 增大管电压（高千伏摄影）
2019/3/1
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三、康普顿-吴有训效应
• 效应/散射
2019/3/1
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• 实验和理论证明康普顿质量衰减系数σm：
2019/3/1 23
2019/3/1
24
2019/3/1
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• 对照片质量无直接影响 • 发生机率正比于Z2
在常用X线能量范围内发生几率低，在诊断X 线范围内不可能发生。
2019/3/1
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2019/3/1
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2019/3/1
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2019/3/1
29
在20～100keV诊断X线能量范围内，只有光 电效应和康普顿效应是主要的，相干散射所 占的比例很小，并不重要，光核反应可以忽 略，电子对效应不可能发生。
2019/3/1
3
• 在各种可能的相互作用中：
– 光电效应（photoelectric effect） – 康普顿-吴有训效应（Compton effect） – 电子对效应（electronic pair effect）
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第一节
X线与物质的相互作用
高速电子还可以发生辐射性碰撞而产生 韧致辐射，韧致辐射线与散射线又象原 射线一样继续与物质的原子作用。平均 30次左右的相互作用，一个入射光子的 全部能量都转移给电子。 X光子进入生物组织后，光子能量在其 中转移、吸收，最终引起生物效应。
第一节
X线与物质的相互作用
3．散射光子和反冲电子的角分布
康普顿散射光子的角分布，强烈地依赖 于入射光子的能量。对0.1 MeV的低能 光子产生的散射光子对称于90°角分布， 随着光子能量的增加，散射光子趋于前 方。 从曲线上一点到作用点的距离表示在该 方向上散射线的强度。如果以X线的入 射方向为轴旋转一周就成为散射线强度 的空间分布图。
光电效应能产生质量好的照片影像，原因： ①不产生散射线，减少照片的灰雾； ②可增强天然组织的对比度(contrast)。 由于人体的一些组织比其它组织能吸收更多的 射线，这样产生了X线影像的对比度。 邻近组织吸收X线的差别愈大，对比度愈高。 由于光电效应的发生几率与Z4成正比，所以光 电效应能增大不同元素所构成组织间吸收X线 的差别(如骨和软组织)。
光子能量加倍，光电效应的发生几率减少到原来的1/8。
2．发生几率
③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Z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。 由原子的内层脱出光电子的几率比由外层脱出 光电子的几率要大得多。若入射光的能量大于 K电子结合能，则光电效应发生在K层的几率占 80％，比L层高出4～5倍。 光电效应几率∝Z4
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。
*一、光电效应
三、电子对效应
电子对效应中，入射光子的能量一部分转化 为正、负电子的动能，其份额为(1－ 2mc2/hν )，另一部分转化为正、负电子的 静止能，为2mc2/hν 。 发生几率与Z2成正比，近似地与光子能量的 对数成正比。 虽然正、负电子在耗尽其动能之前也会发生 湮灭辐射，但发生的几率很小。
1 cos E＝hν －hν ′= h 1 1 cos
2．反冲电子及散射光子
表2-4 各种偏转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
3．光电效应中的特征辐射
Ca是人体内Z最高的主要元素，它的K特 征辐射只有4 keV，远小于X线光子能量， 在其发生后点几毫米之内就被吸收了。 人体内其它元素的特征辐射的能量更小 (0.5 keV)。 人体各组织由X线照射所产生光电效应的 特征辐射将全被组织吸收。
*4．诊断放射学中的光电效应
3．散射光子和反冲电子的角分布
康普顿效应产生的 散射线是辐射防护 中必须注意的问题。 X线诊断过程中从 病人身上产生的散 射线能量与原射线 相差很少，并且散 射线比较对称地分 布在整个空间，必 须引起重视。
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0.51 MeV的光子(图2-26)，这 个现象称为湮灭(annihilation)辐射。
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。
3．光电效应中的特征辐射
X线光子把碘的K电子击脱，造成一个K空位时， 一般情况下都是邻近壳层的电子跃入填充其空 位。 L电子跃入填充时产生能量为28.3keV的光子辐 射(33.2－4.9＝28.3keV)； L空位由M电子跃入填充时放出一个4.3keV能量 的光子(4.9－0.6＝4.3keV)，一直继续下去， 直到33.2keV的能量全部转换为光能为止。 K空位也可由外来的自由电子落入填充，这时 将放出一个33.2keV的光子，这是碘的最大能 量的特征辐射。
四、三个基本效应
图2-28指出水、致密骨和NaI对20～ 100keV的光子能量所发生的各种作用的 百分数。 相干散射占5％，康普顿散射占25％，光 电效应占70％，总数是100%。 用水来说明低Z组织的情况，如空气、脂 肪和肌肉。 空气虽然发生相互作用的总数比水少， 但每种作用的相对百分数几乎相同。 致密骨含有大量钙质，代表中等Z的物质。
*1．康普顿效应
康普顿效应产 成： ①反冲电子， 反冲角度θ
②散射光子， 散射角度φ ，
频率ν ′
2．反冲电子及散射光子
只有入射光子能量远远超过电子在原子中的结合能 (约10000倍)时，才容易发生康普顿效应。 实际常忽略轨道电子的结合能，把康普顿效应看成是 入射光子与自由电子的碰撞。 象两个球的碰撞(入射光子，自由电子)，碰撞时若光 子从电子边上擦过，偏转角度很小，反冲电子获得的 能量也很小，散射光子保留了绝大部分能量；如果碰 撞更直接些，光子的偏转角度增大，损失的能量增多； 正向碰撞时，反冲电子获得的能量最多，这时被反向 折回的散射光子仍保留一定的能量。
2．反冲电子及散射光子
2．反冲电子及散射光子
矢量图表示在康普顿散射中和入射光子方向成 不同角度的散射光子与反冲电子能量分配的特 性。hν 为入射光子能量，而hν 1、hν 2 …… 为不同角度散射的光子能量。数字1、2……10 标出的矢量是在光子散射时生成反冲电子的动 能。 光子可在0～180°的整个空间范围内散射，反 冲电子飞出的角度不超过90°。 散射光子的能量随散射角增大而减小，可得出 康普顿散射中光子波长的改变为：
*1．光电效应概念 能量为hν 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。 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”。
h 1 cos mc
2．反冲电子及散射光子
1 cos 0.0243
λ 为入射光子的波长；λ ′为散射光子的波长； 为光子的散射角。 表明对于给定的散射角，光子波长的改变与入 射光子的能量有关。 由于入射光子的能量分配给了散射光子和反冲 电子，因此，康普顿反冲电子的能量等于入射 光子和散射光子的能量之差，即：
*4．诊断放射学中的光电效应
从被检者接收X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 吸收入射光能量的一小部分。 尽量减少或避免辐射对人体的伤害，应设法减 少光电效应的发生。实际工作中可采用高kV照 像技术，减少光电效应的发生几率，保护被检 者。
*一、光电效应
＊光电效应产生： ①负离子(光 电子、俄歇电 子)； ②正离子(丢 失电子的原 子) ； ③特征辐射。
*一、光电效应
2．发生几率
①入射光子必须有克服轨道电子结合能的足够 能量。碘的K电子结合能33.2keV，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。 ②光子能量≥电子结合能容易发生光电效应。 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。光电效应的几率： 1 光电效应几率∝ 3 h
X线在物质中可能与原子的电子、原子核、 带电粒子的电场以及原子核的介子场发 生相互作用，作用的结果可能发生光子 的吸收、弹性散射和非弹性散射。 吸收时光子的能量全部变为其他形式的 能量； 弹性散射仅改变辐射的传播方向， 非弹性散射改变辐射的方向，也部分地 吸收光子的能量。
第一节
X线与物质的相互作用
四、三个基本效应
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。
四、三个基本效应
对Z较低的软组织，在射线能量很低时光电效 应为主；放射摄影中常用钼靶X线机产生的低 能X线摄片，是为了增加光电效应的几率使照 片的对比度提高。 低能光子对高Z吸收物质，光电效应是主要作 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。
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h≥2mc2(2mc2=1.02 MeV)。原子的电子场中， 入射光子的能量h≥4mc2(4mc2＝2.04 MeV)。 电子对效应在原子核场中发生的几率，远大于 在电子场中发生的几率。 设ε +、ε -分别表示正、负电子的动能，得： hν ＝2mc2＋ε +＋ε 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E＝hν －2mc2的连续能谱。