X（或γ）射线与物质的相互作用讲解

X（或γ）射线与物质的相互作用讲解

文档简介

学习目标：

1. 掌握X(或γ)射线与物质相互作用规律及光电效应、康普顿效应、电子对效应发生机制
2. 掌握诊断X射线能量范围内，射线与组织相互作用各种效应发生几率及对影像质量、辐射剂量的影响
3. 了解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

X射线与γ射线本质都是电磁波，且都属电离辐射。γ射线能量比X射线能量更高，具有更强的穿透本领。X射线是高速电子与物质相互作用产生的，γ射线是从原子核衰变中放射出来的。射线与物质相互作用的规律是进行射线探测、防护和应用的基础。

X射线与物质的相互作用

X线通过物质时，小部分从物质的原子间隙中穿过（穿透作用），大部分被吸收和散射。胶片感光、荧光屏发光形成影像，电离作用可用于放射治疗、防护滤除、防护。

衰减系数μ表示X光子的数量减少方面，光子减少的数目与物质厚度和入射光子数目有关。X线强度减弱方面，剩余X线强度与入射X线强度和物质厚度有关。衰减系数μ的国际单位为m-1，与X线能量成反比、与物质密度/原子序数成正比。

质量衰减系数μm表示X射线在穿过单位质量厚度（1kgm-2）的物质层时，强度衰减的分数值。单位为m2kg-1。能量转移和吸收的总衰减系数为μ=μtr+μs，其中μtr表示电子转移部分，μs表示辐射转移部分。能量吸收系数为μen=μtr（1-g）。

光电效应

光电效应又称光电吸收，是X线光子能量被原子全部吸收的作用过程，其实质是物质吸收X射线使其产生电离的过程。作用位置在原子内层电子，条件是X光子能量大于等于内层电子结合能（hυ≥W）。次级粒子包括光电子、俄歇电子、特征X光子、正离子。

光电效应的发生几率与物质原子序数的4次方成正比，与入射光子能量的3次方成反比。原子边界限吸收当入射光子能量恰好等于原子轨道电子结合能时，吸收系数突然增加。物质原子的边界限吸收特性在防护材料的选取、复合防护材料配方及阳性造影剂材料的制备等方面有应用价值。

康普顿效应

康普顿效应又称为康普顿散射，是X线光子能量被部分吸收而产生散射的过程。作用位置在原子最外层电子，条件是X光子能量远大于外层电子结合能（hυ>>W）。次级粒子包括反冲电子、散射X光子、正离子。

康普顿效应的发生几率与物质原子序数Z成正比（只适用于氢元素与其他元素的比较），与入射光子能量成反比。当入射光子能量等于或稍大于电子的结合能，光电效应最有可能发生，随着入射光子能量的增加，光电效应很快降低，而康普顿效应下降较慢，此时以康普顿效应为主。

散射光子的角分布：入射线能量仅能发生康普顿效应时，散射光子近似对称于90°分布；随着入射光子能量的增大，散射光子的分布趋向前方；随入射光子能量的增大，反冲电子的角分布同样趋向前方。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：

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无关。散射光子的角分布：

各种偏转角度下散射光子的能量：

诊断放射学中的康普顿效应：从表中数据看出，在康普顿散射中，散射光子仍保留了大部分的能量，传递给反冲电子的能量是很少的。小角度偏转的光子，几乎仍保留其全部能量。这会产生小角度的散射线不可避免地要到达胶片产生灰雾而降低照片的质量。X线机曝光产生X线时，散射光子将充满整个检查室，增加防护难度。在X线摄影过程中，特别是高千伏摄影时，为减少散射线对图像质量的影响，必须使用滤线栅。

电子对效应

如果入射X线光子能量大于等于1.02MeV，在与物质原子的原子核发生相互作用时，X线光子突然消失，同时转化为一对正、负电子。作用位置是原子核，条件是X光子能量hυ≥1.02MeV（在诊断X线能量范围内不可能发生）。湮灭辐射生成的正、负电子在物质中穿行继续损失自身的能量，慢化的正电子在停止前的一瞬间与物质中的自由电子结合，随即向相反方向射出两个能量各为0.51MeV的光子。

电子对效应发生的几率与物质的原子序数的平方成正比，与单位体积内的原子个数成正比，与光子能量的对数成正比。

相干散射

射线与物质相互作用而发生干涉的散射过程，在低能射线范围内以瑞利散射为主。瑞利散射：入射光子被原子内壳层电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子相同，传播方向发生改变的散射光子。实际上是X射线的折射，不产生电离的过程。相干散射的发生几率与物质原子序数成正比，并随光子能量的增大而急剧地减少。在整个诊断X线能量范围内都有相干散射发生。

光核作用

一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和γ光子的过程。条件是光子能量大于该物质发生核反应的阈能（在诊断X线能量范围内不可能发生）。可产生中子和放射性核素。

X线引发效应总结

Z和hv与三种基本作用的关系

• 光电效应的优势区间：低能光子、高原子序数物质
• 康普顿效应的优势区间：0.8~4MeV光子
• 电子对效应的优势区间：高能光子

在20~100keV诊断X能量范围内，只有光电效应和康普顿效应，电子对效应不可能发生。诊断放射中各种基本作用发生的几率：低管电压、高原子序数（阳性造影剂）以光电效应为主；高管电压、低原子序数以康普顿效应为主。

掌握不同能量的X射线对不同的原子序数的物质作用类型和几率，对提高影像质量，降低受照剂量和优选屏蔽防护材料都有重要意义。