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第二章 放射物理基础 X线与物质相互作用 * * 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） * * 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 * * 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） 相干散射。。。 相互作用的结果，是发生上述效应，而X线光子被衰减 * * 一、X线衰减系数 当X线通过距离为dx的物质时，由于上述各种过程，射线强度I被衰减，衰减量表示为dI，用衰减系数μ来表示衰减的强弱： * * 通常会采用质量衰减系数μm来表达物质对射线衰减的强弱： 式中，τm为光电效应质量衰减系数，σm为康普顿效应质量衰减系数，κm为电子对效应质量衰减系数。 * * 二、光电效应 * * 与光电效应有关的诺贝尔物理学奖 1921年，爱因斯坦因建立光量子理论并成功解释了光电效应而获奖。 1922年，玻尔因建立原子理论（因密立根证实了光量子理论而获得了实验支持）而获奖。 1923年，密立根因测量基本电荷和研究光电效应而获奖。 * * 光子通过物质时与原子内层轨道电子相互作用，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，光子本身整个被原子吸收，这样的作用过程称为光电效应。 与特征X线产生的相似性（碘、钡、钙） * * 光电效应中产生： 负离子（光电子、俄歇电子） 正离子 特征辐射 * * 光电效应的发生几率（对X线衰减系数）： 入射光子能量〉轨道结合能 入射光子能量不能过高 几率正比于1/(hν)3 原子序数越高几率越大，几率正比于Z4 * * 原子边界限吸收 τm（光电效应发生率）一般随入射光子能量的增大而降低 当入射光子能量增加到恰好等于原子轨道电子的结合能时，τm突然增加。这些吸 收突然增加处称为吸收限 当光子能量等于K层电子的结合能时，发生K边界限吸收（K缘吸收）；等于L电子的结合能时，发生L边界限吸收（L缘吸收）…… 最重要的是K边界限吸收，因为光电效应主要发生在K层电子轨道。 * * * * 对照片质量的影响 不产生散射线 增强天然对比度 * * 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） * * 三、康普顿-吴有训效应 效应/散射 * * 实验和理论证明康普顿质量衰减系数σm： 几率正比于1/(hν) 原子序数越高几率越大，几率正比于Z * * 光子与原子的外层轨道电子相互作用，光子交给轨道电子部分能量后，频率发生改变，并散射。轨道电子同时脱离并出射。 反冲电子与散射光子（出射角度） 康普顿散射光子的角分布强烈地依赖于入射光子的能量。 * * 散射波长改变量的数量级为 10-12m，可见光波长~10-7m，所以观察不到康普顿效应。 ?散射光中有与入射光相同的波长的射线，是由于光子与原子碰撞，原子质量很大，光子碰撞后，能量不变，因此散射光频率不变。 由于康普顿对“康普顿效应”的一系列实验及其理论解释，因此获得了1927年诺贝尔物理学奖（与英国的威尔逊一起分享） * * 产生散射 对照片质量的影响 散射线 * * 四、电子对效应 * * 入射光子在原子核场或电子场中，突然消失而转化为一对正、负电子 正、负电子有各自的动能 正电子遇到其它电子后发生湮灭效应，产生湮灭辐射 湮灭效应是指正电子与电子相遇后消失，转变成为能量相同、方向相反的两个光子，光子能量为511keV 能量相同、方向相反的两个能量为511keV光子称为湮灭辐射—爱恩斯坦的质量能量互换原理 * * * * * * 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。 * * 4 * * * * * * * * 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。