第2章电离辐射与物质的相互作用.docx
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第2章电离辐射与物质的相互作用
第2章电离辐射与物质的相互作用.
第二章电离辐射与物质的相互作用
个人觉得第二章是整个内容中理论性最强的一部分,要掌握这些内容得多看几遍书才行,
要是感到不好理解的话,只能死记了!
而且整个第二章内容已经很精简了,短短的二十页内容,几乎处处都是考点,
好好多看几遍书才行!
第一节带电粒子与物质的相互作用
一、带电粒子与物质相互作用的主要方式:
1、与核外电子发生非弹性碰撞;
2、与原子核发上非弹性碰撞;
3、与原子核发上弹性碰撞;
4、与原子核发生核反应
掌握以上各种作用方式的作用过程以及每种作用的关系式、由关系式得出的结论。
掌握概念
电离辐射,直接致电离辐射,间接致电离辐射;
线性碰撞阻止本领,质量碰撞阻止本领;
（线性碰撞阻止本领linearcollisionstoppingpower）入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的平均能量（J*m-1）
质量碰撞阻止本领（masscollisionstoppingpower）线性碰撞阻止本领除以靶物质的密度
线性辐射阻止本领,质量辐射阻止本领;
单位路程长度和单位质量厚度的辐射能量损失。
总质量阻止本领,质量角散射本领;
带电粒子在密度为p的介质中穿过路程dl时,一切形式的能量损失dE除以pdl而得的商。
质量角散射本领指均方散射角除以吸收块密度p和厚度l之积所得的商,与原子序数的平方成正比,与入射电子的动量平方近似成反比。
射程,路经,半值深度,实际射程;
沿入射方向从入射位置至完全停止位置所经过的距离称为射程。
粒子从入射位置至完全停止位置沿运动轨迹所经过的距离称为路径长度;
比电离;
带电粒子穿过靶物质时使物质原子电离产生电子-离子对,单位路程上产生的电子-离子对数目称为比电离,它与带电粒子在靶物质中的碰撞阻止本领成正比。
传能线密度。
（linearenergytransfer,LET）
描述辐射品质的物理量,定义为dE除以dl而得的商。
第二节X（r）射线与物质的相互作用
1、X（r）射线与物质相互作用的特点:
（区别与带电粒子与物质的相互作用）
1）不能直接引起物质原子电离或激发,而是首先把能量传递给带电粒子;
2）与物质的一次相互作用可以损失其能量的全部或很大一部分,而带电粒子则是通过许多次相互作用逐渐损失其能量;
3）光子束入射到物体时,其强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减,而带电粒子有确定的射程,在射程之外观察不到带电粒子。
2、光子与物质的相互作用过程:
1）主要过程:
光电效应、康普顿效应、电子对效应;
2）次要过程:
相干散射、光核反应等。
一、光子与物质相互作用系数
1、基本概念:
截面1,线性衰减系数2,质量衰减系数3,线能量转移系数4,质量能量转移系数,质量能量吸收系数,半价层,平均自由程,有效原子序数
截面（crosssection）是描述粒子与物质相互作用概率的物理量,定义为一个入射粒子与单位面积上一个靶粒子发生相互作用的概率。
X（γ）光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率,称为线性衰减系数。
（linearattenuationcoefficient）X（γ）光子与每单位质量厚度物质相互作用的概率,称为质量衰减系数
X（γ）光子在物质中穿行单位距离时,其总能量由于各种相互作用而转移为带电动能的份额
半价层（HVL）定义为X射线束流强衰减到其初始值一半时所需的某种物质的衰减块厚度,它与线性衰减系数μ的关系为:
HVL=ln2/μ=0.693/μ
平均自由程定义为X光子与物质发生相互作用前平均的自由运动距离。
L=1/μ
2、线性衰减系数与截面之间的关系
3、窄束、宽束光子线穿过靶物质时其强度衰减规律
4、μ,HVL和l三者之间的关系
5、μ/ρ,μen/ρ,μtr/ρ三者之间的关系
二、光电效应
1、光子与物质原子的轨道电子发生相互作用,把全部能量传递给对方,X（r）光子消失,获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子（光电子）,原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态,它将通过发射特征X线或俄歇电子的形式很快回到基态,这个过程成为光电效应。
2、由能量守恒定律知,发生光电效应时,入射光子能量和光电子的动能,满足关系式hv=Ee+Bi,
式中Bi为原子第i层电子的结合能,与原子序数和壳层数有关。
3、K层和L层电子发生光电效应的概率最大,如果入射光子的能量大于K层电子结合能,则K层电子光电效应截面的80%以上。
4、
（1）原子的光电效应总截面和光电线性衰减系数与原子序数Z的4—4.8次方成正比,光电质量衰减系数与Z的3—3.8次方成正比;
（2）随着原子序数的增大,光电效应发生的概率迅速增大,也就是说,电子在原子中束缚的越紧即参与光电效应的概率越大;
（3）三个作用序数均与光子能量的三次方成正比,随能量增大,光电效应发生的概率迅速减小。
5、光电子的角分布:
相对于光子的入射方向,光电子沿着不同方向运动概率不同,形成所谓的角分布。
0°与180°方向没有光电子,当入射光子能量很低时,垂直入射方向概率最大,随入射光子能量增加,角分布逐渐倾向沿光子入射方向。
三、康普顿效应
1、当入射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,并改变运动方向,电子获得能量而脱离原子,此种作用过程称为康普顿效应。
2、在入射光子能量一定的情况下,散射光子能量随散射角增大而减小,相应地反冲电子动能将增大;
在散射角一定的情况下,散射光子能量随入射光子能量增大而增大,但增大的速度逐渐减慢;
反冲电子动能随入射光子能量增大而同速增大。
3、当散射角θ=0时,散射光子能量最大,反冲电子动能为零,说明入射光子从电子旁掠过,没有能量损失;
1（crosssection）
2linearattenuationcoefficient
3massattenuationcoefficient
4Linearenergytransfercoefficient
当θ=90时,不管入射光子能量有多高,散射光子的能量最大不超过0.511MeV;
当θ=180时,散射光子能量最小,相应的反冲电子动能最大。
不管入射光子能量有多高,180散射光子的能量最大不超过0.256MeV。
4、随入射光子能量增大,散射光子越是朝前向散射;
随入射光子能量增大,反冲电子也是越朝前向散射;
5、随入射光子能量增大,每次碰撞转移给反冲电子的动能占总能量的份额逐渐增加;
6、每个电子的康普顿效应总截面、转移截面和散射截面均与原子序数无关;
每个原子的康普顿效应总截面、转移截面和散射截面均与原子序数成正比;
康普顿效应的质量衰减系数和质能转移系数与原子系数也近似无关。
四、电子对效应
1、当光子从原子核旁经过时,在原子核库仑场的作用下形成一对正负电子,此过程称为电子对效应;
2、只有当入射光子能量大于1.02MeV,即两个电子的能量时,才能发生电子对效应;
3、随入射光子能量的增加正负电子的角分布趋向于光子的入射方向;
4、获得动能的正负电子在物质中通过电离或辐射的方式损失能量。
当正电子停止下来时,它和一个自由电子结合而转变为两个光子,此过程称为电子对湮没,湮没时放出的光子属湮没辐射。
5、电子对效应的线性衰减系数就是单位体积物质中的原子数与原子的电子对效应截面之乘积;
6、电子对效应的质量衰减系数与原子序数成正比,质能转移系数也是如此;
7、入射光子能量大于4mc2时,在电子库仑场中也能发生电子对效应,
但发生的概率相对于原子核库仑场发生嗲子对效应的概率要小得多。
五、光子与物质的其他相互作用过程
（一）相干散射
1、当入射电磁波从原子附近经过时,引起轨道电子共振,振荡电子将发射波长相同但方向不同的电磁波,不同轨道电子发射的电磁波具有相干性,故此过程为相干散射,又称瑞利散射;
2、在相干散射过程中,X（r）光子仅改变运动方向而没有能量转移;
3、相干散射截面随原子序数的增大和入射光子能量的降低而迅速增加,但其对总截面的贡献总是很小。
（二）光核反应
1、光子与原子核作用引起的核反应光核反应。
2、光核反应是有域能的反应,当光子能量大于域能时,反应截面随光自能量的增加而增大,当大于域能数个MeV是反应截面达到最大,此后随光子能量增加而减小。
3、光核反应反应截面很小,计量学中可以忽略,但在实际中的应用就是在机房防护设计时对于大于10MeV能量的光子需要考虑光核反应,考虑到中子防护。
六、各种相互作用的相对重要性
1、有效原子序数的概念及计算方法;
2、掌握图2-15对于光子与物质相互作用的三种主要形式与光子能量、吸收物质原子序数的关系
1）10~30keV光电效应为主（质量衰减系数与原子序数Z3-3.8成正比,与（hv）3成反比）
2）30keV~25MeV康普顿效应为主（放射治疗的能量范围包含其中,说明放射治疗中康普顿效应占主要作用）（质量衰减系数与原子序数无关,随能量增加而减小）
3）25~100MeV电子对效应为主（随原子序数增大而迅速增加,随能量增大而增加）
3、掌握图2-17比较人体骨、肌肉和脂肪组织对临床所用X（r）射线能量吸收的差别:
1）对于60~150keV的低能X射线,骨的吸收比肌肉和脂肪的高的多;
2）对于150~250keV,骨的吸收比肌肉和脂肪的高;
3）对于钴60射线和2~22MeV的高能射线,单位质量骨的吸收比肌肉和脂肪的略低,但因为骨的密度比肌肉和脂肪要高,所以单位厚度的骨的吸收仍然比肌肉和脂肪要高;
4）对于22~25MeV的高能射线,骨的吸收比肌肉和脂肪要稍高。
还有图2-17上方的一段描述也要好好理解,
这几点内容虽然比较少,但基本上每年都会考到,也不能忽视!
七、蒙特卡罗算法
1、蒙特卡罗解释粒子运输包括三个过程:
1）源分布抽样过程,产生粒子的初始状态;
2）空间、能量和运动方向的随机游动过程,产生粒子的运动状态序列;
3）记录贡献与分析结果过程,记录每个了粒子对所求量的贡献并分析所求量的误差。
2、蒙特卡罗方法在肿瘤放射物理中的应用:
1）外照射射线源模拟;
2）剂量仪响应模拟;
3）外照射时体内辐射场模拟;
4）外照射治疗计划应用;
5）腔内放疗源周围辐射场模拟。
第二章电离辐射与物质的相互作用模拟试题
1、X射线与物质相互作用中,哪一种相互作用X射线仅损失部分能量:
D
A.光电效应
B.电子对效应
C.相干效应
D.康普顿散射
E.光核反应
2、碰撞损失是描述下列哪一物理过程的能量损失D
A.带电粒子与原子核发生核反应
B.带电粒子与原子核发生弹性碰撞
C.带电粒子与原子核发生非弹性碰撞
D.带电粒子与原子核外电子发生非弹性碰撞
E.带电粒子与原子核外电子发生弹性碰撞
3、辐射损失是描述下列哪一物理过程的能量损失B
A.带电粒子与原子核外电子发生弹性碰撞
B.带电粒子与原子核发生非弹性碰撞
C.带电粒子与原子核外电子发生非弹性碰撞
D.带电粒子与原子核发生弹性碰撞
E.带电粒子与原子核发生核反应
4、带电粒子与重原子核发生弹性碰撞时,下列描述中错误的是E
A.带电粒子的运动方向和速度发生变化
B.相互作用可以是库仑是核力相相互作用也可以互作用
C.相互作用过程中原子核不激发不辐射光子
D.带电粒子能量低时弹性散射截面大
E.碰撞后绝大部分能量由原子核获得
F.碰撞后绝大部分能量由散射粒子带走
5、韧致辐射是指高速运动的电子同靶相碰撞时,与靶的什么相互作用而放出电子的能量,产生连续Χ射线的?
（）D
A.自由电子
B.原子核的质子
C.壳层电子
D.原子核外库仑场
6、如下哪种粒子或射线可引起原子间接电离E
A.电子
B.质子
C.粒子?
D.重离子
E.X（?
）光子
7、在放射治疗中所应用的电子束能量范围内,电子在组织中损失能量的首要方式为C
A.与组织中原子核外电子发生多次非弹性碰撞逐渐损失能量
B.与组织中原子核发生多次非弹性碰撞逐渐损失能量
C.与组织中原子核发生多次弹性碰撞逐渐损失能量
D.与组织中自由电子发生湮灭辐射一次损失全部能量
E.与组织中原子核发生核反应损失全部能量
8、相同能量的电子与铅和碳物质相互作用,碳的质量碰撞阻止本领大于铅的质量碰撞阻止本领。
指出下列论述中哪一项是正确的:
A
A.铅的每克电子数低于碳的每克电子数,且铅原子的平均激发能高于碳原子
B.铅的每克电子数高于碳的每克电子数,且铅原子的平均激发能低于碳原子
C.铅的每克电子数低于碳的每克电子数,且铅原子的平均激发能低于碳原子
D.铅的每克电子数高于碳的每克电子数,且铅原子的平均激发能高于碳原子
E.电子的质量碰撞阻止本领与靶核原子序数Z成反比
9、带电粒子与核外电子的非弹性碰撞的论述中,不正确的是:
A
A.入射带电粒子与核外电子之间的库仑力相互作用,使轨道电子获得足够的能量而引起原子电离
B.轨道电子获得的能量不足以引起电离时,则会引起原子激发
C.处于激发态的原子在退激时,会放出γ射线
D.处于激发态的原子在退激时,释放出特征X射线或俄歇电子
E.被电离出来的轨道电子具有足够的能量可进一步引起物质电离,此称为次级电离
10、对临床常用钴-60γ射线和6MVX线,下列关于骨骼和肌肉的能量吸收差别的描述中,正确的是:
C
A.无差别
B.差别很小
C.骨的吸收比肌肉低
D.单位质量骨的吸收比肌肉略高
E.单位厚度骨的吸收比肌肉底
11、下述的哪一个物理量描述带电粒子在介质中每单位质量厚度的辐射能量损失:
D
A.线性碰撞阻止本领
B.质量碰撞阻止本领
C.线性辐射阻止本领
D.质量辐射阻止本领
E.传能线密度
12、只有当入射光子能量大于多少时才可能在原子核库仑场中发生电子对效应:
B
A.0.511MeV
B.1.022Mev
C.1.533MeV
D.2.044MeV
E.2.555MeV
对吗
DDBC
EDEBACCDB
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