放射防护课件5.X线与物质的相互作用.ppt

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X（或）射线与物质的相互作用1l原子的核外电子因与外界相互作用获得足够原子的核外电子因与外界相互作用获得足够的能量，挣脱原子核对它的束缚，造成原子的能量，挣脱原子核对它的束缚，造成原子的电离。

的电离。

l电离是由具有足够动能的带电粒子，如电子、电离是由具有足够动能的带电粒子，如电子、质子、质子、粒子，与原子中的电子碰撞引起的。

粒子，与原子中的电子碰撞引起的。

l原子的核外电子受原子核的束缚不同，原子的核外电子受原子核的束缚不同，带电带电粒子必须具有不小于原子核外壳层电子的束粒子必须具有不小于原子核外壳层电子的束缚能量缚能量，才能使物质的原子电离。

，才能使物质的原子电离。

2l不带电粒子，如光子、中子等，本身不能使物质不带电粒子，如光子、中子等，本身不能使物质电离，但借助它们与原子的壳层电子或原子核作电离，但借助它们与原子的壳层电子或原子核作用产生的次级粒子，如电子、反冲核等，随后在用产生的次级粒子，如电子、反冲核等，随后在与物质中的原子作用，引起原子的电离。

与物质中的原子作用，引起原子的电离。

l由带电粒子通过碰撞直接引起物质的原子或分子由带电粒子通过碰撞直接引起物质的原子或分子的电离称为直接电离，这些带电粒子称为的电离称为直接电离，这些带电粒子称为直接电直接电离粒子离粒子。

l不带电粒子通过它们与物质相互作用产生的带电不带电粒子通过它们与物质相互作用产生的带电粒子引起原子的电离，称为间接电离。

这些不带粒子引起原子的电离，称为间接电离。

这些不带电粒子称为电粒子称为间接电离粒子间接电离粒子。

3l由直接电离粒子或间接电离粒子、或两者混由直接电离粒子或间接电离粒子、或两者混合组成的辐射成为电离辐射。

合组成的辐射成为电离辐射。

l另外，有些辐射如红外线、可见光、微波等另外，有些辐射如红外线、可见光、微波等电磁波以及低能粒子，由于其能量低，不能电磁波以及低能粒子，由于其能量低，不能引起物质原子的电离，成为非电离辐射。

引起物质原子的电离，成为非电离辐射。

4辐射的类型辐射的类型lDirectlyionizingradiationelectronsprotons-particlesotherheavychargedparticlelIndirectlyionizingradiationunchargedparticlessuchasneutronandphotons5电离辐射与物质电离辐射与物质的相互作用是的相互作用是X射线成像的物理射线成像的物理基础和电离辐射基础和电离辐射剂量学的基础。

剂量学的基础。

6带电粒子与物质的相互作用的主要方式带电粒子与物质的相互作用的主要方式具有一定能量的带电粒子入射到靶物质中，具有一定能量的带电粒子入射到靶物质中，与物质原子发生作用，作用的主要方式有与物质原子发生作用，作用的主要方式有l与核外电子发生非弹性碰撞；与核外电子发生非弹性碰撞；l与原子核发生非弹性碰撞；与原子核发生非弹性碰撞；l与原子核发生弹性碰撞；与原子核发生弹性碰撞；l与原子核发生核反应。

与原子核发生核反应。

78X线与物质的相互作用lXX线与物质的作用都是和原子发生作用。

线与物质的作用都是和原子发生作用。

XX线在物质中可引起物理的、化学的和生线在物质中可引起物理的、化学的和生物的各种效应。

物的各种效应。

l当当XX光子进入生物组织后，与体内某个电光子进入生物组织后，与体内某个电子相互作用，形成子相互作用，形成高速电子和散射线高速电子和散射线。

l高速电子高速电子通过组织时，与原子相互作用，通过组织时，与原子相互作用，使其电离或激发，产生使其电离或激发，产生化学变化和生物化学变化和生物损伤损伤；在被吸收的能量中，；在被吸收的能量中，9797的转变的转变为热能，为热能，3%3%的能量以引起化学变化的形的能量以引起化学变化的形式积蓄起来。

式积蓄起来。

9X线与物质的相互作用l高速电子还可以发生辐射性碰撞而产生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，韧致辐射线与散射线又象原，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。

射线一样继续与物质的原子作用。

l平均平均3030次左右的相互作用，一个入射光次左右的相互作用，一个入射光子的全部能量都转移给电子。

子的全部能量都转移给电子。

lXX光子进入生物组织后，光子能量在其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。

中转移、吸收，最终引起生物效应。

10X线与物质的相互作用lXX线在物质中可能与原子的电子、原子核、带电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，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作用的结果可能发生光子的吸收、弹性散射和光子的吸收、弹性散射和非弹性散射非弹性散射。

l吸收时光子的能量全部变为其他形式的能量；时光子的能量全部变为其他形式的能量；l弹性散射仅改变辐射的传播方向，仅改变辐射的传播方向，l非弹性散射改变辐射的方向，也部分地吸收光改变辐射的方向，也部分地吸收光子的能量。

子的能量。

11XX射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用lXX射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（photoelectriceffect）（photoelectriceffect）l康普顿效应康普顿效应（Comptoneffect）（Comptoneffect）l电子对效应电子对效应（electronicpaireffect（electronicpaireffect）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、光核反应等。

、光核反应等。

12总结总结lhvEi康普敦效应康普敦效应lhv2mec2电子对效应电子对效应lhv很高很高光核反应光核反应l总质量减弱系数总质量减弱系数13吸收和散射吸收和散射入射入射X线线直接透过直接透过光电吸收光电吸收电子对效应电子对效应散射散射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相干散射散射光子散射光子反冲电子反冲电子正电子、电子正电子、电子湮灭辐射光子湮灭辐射光子14总结总结15总结总结l在在0.010.0110MeV10MeV范围内，产生光电效应、康普顿范围内，产生光电效应、康普顿效应和电子对效应三个基本过程。

效应和电子对效应三个基本过程。

l在在光子能量较低时时,除低除低ZZ以外的所有元素都以光电以外的所有元素都以光电效应为主。

效应为主。

l光子能量在光子能量在0.84MeV时，无论时，无论ZZ多大，康普顿效应多大，康普顿效应都占主导地位。

都占主导地位。

l大的大的hh处电子对效应占优势。

图中的曲线表示两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种相邻效应正好相等处的ZZ和和hh值。

值。

l在在2020100keV100keV的诊断的诊断XX线范围内，光电效应和康线范围内，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对效应不可能发生。

16总结总结l水、致密骨和水、致密骨和NaINaI对对2020100keV100keV的光子能量的光子能量所发生的各种作用的百分数。

所发生的各种作用的百分数。

17诊断放射学中作用几率与有效原子序数和能量的关系诊断放射学中作用几率与有效原子序数和能量的关系X线线能量能量keV水（水（7.4）骨（骨（13.8）碘化钠碘化钠（49.8）光光电电（%）康普顿康普顿（%）光光电电（%）康普顿康普顿（%）光光电电（%）康普顿康普顿（%）2070308911946607933169955100199991881218总结总结l用水来说明低用水来说明低ZZ组织的情况，如空气、脂肪组织的情况，如空气、脂肪和肌肉。

和肌肉。

l致密骨含有大量钙质，代表中等致密骨含有大量钙质，代表中等ZZ的物质。

的物质。

l相干散射仅占相干散射仅占5%5%左右。

左右。

l水中除低能光子外，康普顿散射是主要的。

水中除低能光子外，康普顿散射是主要的。

lNaINaI的的ZZ高，主要是光电作用。

高，主要是光电作用。

l骨介于水和骨介于水和NaINaI之间，低能时主要是光电作之间，低能时主要是光电作用，较高能量时康普顿散射是主要的。

用，较高能量时康普顿散射是主要的。

19总结总结l对对ZZ较低的软组织，在射线能量很低时光电效应较低的软组织，在射线能量很低时光电效应为主；放射摄影中常用钼靶为主；放射摄影中常用钼靶XX线机产生的低能线机产生的低能XX线线摄片，是为了增加光电效应的几率使照片的对比摄片，是为了增加光电效应的几率使照片的对比度提高。

度提高。

l低能光子对高低能光子对高ZZ吸收物质，光电效应是主要作用吸收物质，光电效应是主要作用形式，它能使照片产生很好对比度，但会增加被形式，它能使照片产生很好对比度，但会增加被检者的检者的XX线剂量。

线剂量。

l康普顿效应是康普顿效应是XX线在人体内最常发生的作用，是线在人体内最常发生的作用，是XX线诊断中散射线的最主要来源。

散射线增加了照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。

使被检者的受照剂量较低。

2021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光电效应中的特征辐射l光电子的角分布光电子的角分布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221.光电效应概念l能量能量为为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。

231.光电效应概念l放出光电子的原子所处放出光电子的原子所处的状态是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XX线光子线光子。

特征特征XX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“俄歇电子俄歇电子”。

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。

241.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：

式中EB为原子第i层电子的结合能，与原子序数和壳层数有关。

25例题：

例题：

l用能量为用能量为5eV的光子照射某种金属，产生的的光子照射某种金属，产生的光电子的最大初动能为光电子的最大初动能为2.3eV，用能量为，用能量为10eV的光子照射该金属，产生的光电子的的光子照射该金属，产生的光电子的最大初动能为多大最大初动能为多大?

261.光电效应概念光电效应产生：

l负离子负离子（光电子、俄歇光电子、俄歇电子电子）；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）272.发生几率l入射光子必须有克服轨道电子结合能的足入射光子必须有克服轨道电子结合能的足够能量。

够能量。

碘的碘的KK电子结合能电子结合能33.2keV33.2keV，若光子若光子能量是能量是33keV33keV，就不能击脱该电子，但可击就不能击脱该电子，但可击脱脱MM或或LL层电子。

层电子。

l光子能量光子能量电