放射防護(hù)課件X線及物質(zhì)相互作用

放射防護(hù)課件X線及物質(zhì)相互作用原子的核外電子因與外界相互作用獲得足夠的能量，掙脫原子核對(duì)它的束縛，造成原子的電離。電離是由具有足夠動(dòng)能的帶電粒子，如電子、質(zhì)子、α粒子，與原子中的電子碰撞引起的。原子的核外電子受原子核的束縛不同，帶電粒子必須具有不小于原子核外殼層電子的束縛能量，才能使物質(zhì)的原子電離。2021/5/182不帶電粒子，如光子、中子等，本身不能使物質(zhì)電離，但借助它們與原子的殼層電子或原子核作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子，如電子、反沖核等，隨后在與物質(zhì)中的原子作用，引起原子的電離。由帶電粒子通過碰撞直接引起物質(zhì)的原子或分子的電離稱為直接電離，這些帶電粒子稱為直接電離粒子。不帶電粒子通過它們與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的帶電粒子引起原子的電離，稱為間接電離。這些不帶電粒子稱為間接電離粒子。2021/5/183由直接電離粒子或間接電離粒子、或兩者混合組成的輻射成為電離輻射。另外，有些輻射如紅外線、可見光、微波等電磁波以及低能粒子，由于其能量低，不能引起物質(zhì)原子的電離，成為非電離輻射。2021/5/184輻射的類型Directlyionizingradiation

electronsprotonsα-particlesotherheavychargedparticleIndirectlyionizingradiationunchargedparticlessuchasneutronandphotons2021/5/185

電離輻射與物質(zhì)的相互作用是X射線成像的物理基礎(chǔ)和電離輻射劑量學(xué)的基礎(chǔ)。2021/5/186帶電粒子與物質(zhì)的相互作用的主要方式具有一定能量的帶電粒子入射到靶物質(zhì)中，與物質(zhì)原子發(fā)生作用，作用的主要方式有①與核外電子發(fā)生非彈性碰撞；②與原子核發(fā)生非彈性碰撞；③與原子核發(fā)生彈性碰撞；④與原子核發(fā)生核反應(yīng)。2021/5/1872021/5/188X線與物質(zhì)的相互作用X線與物質(zhì)的作用都是和原子發(fā)生作用。X線在物質(zhì)中可引起物理的、化學(xué)的和生物的各種效應(yīng)。當(dāng)X光子進(jìn)入生物組織后，與體內(nèi)某個(gè)電子相互作用，形成高速電子和散射線。高速電子通過組織時(shí)，與原子相互作用，使其電離或激發(fā)，產(chǎn)生化學(xué)變化和生物損傷；在被吸收的能量中，97％的轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?%的能量以引起化學(xué)變化的形式積蓄起來。2021/5/189X線與物質(zhì)的相互作用高速電子還可以發(fā)生輻射性碰撞而產(chǎn)生韌致輻射，韌致輻射線與散射線又象原射線一樣繼續(xù)與物質(zhì)的原子作用。平均30次左右的相互作用，一個(gè)入射光子的全部能量都轉(zhuǎn)移給電子。X光子進(jìn)入生物組織后，光子能量在其中轉(zhuǎn)移、吸收，最終引起生物效應(yīng)。2021/5/1810X線與物質(zhì)的相互作用X線在物質(zhì)中可能與原子的電子、原子核、帶電粒子的電場以及原子核的介子場發(fā)生相互作用，作用的結(jié)果可能發(fā)生光子的吸收、彈性散射和非彈性散射。吸收時(shí)光子的能量全部變?yōu)槠渌问降哪芰?；彈性散射僅改變輻射的傳播方向，非彈性散射改變輻射的方向，也部分地吸收光子的能量。2021/5/1811X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)相互作用的主要過程包括：光電效應(yīng)

(photoelectriceffect)康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)電子對(duì)效應(yīng)(electronicpaireffect）三種主要過程損失能量的絕大部分。其他次要過程有相干散射、光核反應(yīng)等。2021/5/1812總結(jié)hv<Ei

相干散射hv≥

Ei

光電效應(yīng)hv>>Ei

康普敦效應(yīng)hv≥2mec2電子對(duì)效應(yīng)hv很高光核反應(yīng)總質(zhì)量減弱系數(shù)2021/5/1813吸收和散射入射X線直接透過光電吸收電子對(duì)效應(yīng)散射光電子俄歇電子特征放射康普頓散射相干散射散射光子反沖電子正電子、電子湮滅輻射光子2021/5/1814總結(jié)2021/5/1815總結(jié)①在0.01～10MeV范圍內(nèi)，產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)三個(gè)基本過程。在光子能量較低時(shí),除低Z以外的所有元素都以光電效應(yīng)為主。光子能量在0.8～4MeV時(shí)，無論Z多大，康普頓效應(yīng)都占主導(dǎo)地位。大的hν處電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。圖中的曲線表示兩種相鄰效應(yīng)正好相等處的Z和hν值。②在20～100keV的診斷X線范圍內(nèi)，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)是重要的，相干散射不占主要地位，電子對(duì)效應(yīng)不可能發(fā)生。2021/5/1816總結(jié)水、致密骨和NaI對(duì)20～100keV的光子能量所發(fā)生的各種作用的百分?jǐn)?shù)。2021/5/1817診斷放射學(xué)中作用幾率與有效原子序數(shù)和能量的關(guān)系X線能量keV水（7.4）骨（13.8）碘化鈉（49.8）光電（%）康普頓（%）光電（%）康普頓（%）光電（%）康普頓（%）207030891194660793316995510019999188122021/5/1818總結(jié)用水來說明低Z組織的情況，如空氣、脂肪和肌肉。致密骨含有大量鈣質(zhì)，代表中等Z的物質(zhì)。相干散射僅占5%左右。水中除低能光子外，康普頓散射是主要的。NaI的Z高，主要是光電作用。骨介于水和NaI之間，低能時(shí)主要是光電作用，較高能量時(shí)康普頓散射是主要的。2021/5/1819總結(jié)對(duì)Z較低的軟組織，在射線能量很低時(shí)光電效應(yīng)為主；放射攝影中常用鉬靶X線機(jī)產(chǎn)生的低能X線攝片，是為了增加光電效應(yīng)的幾率使照片的對(duì)比度提高。低能光子對(duì)高Z吸收物質(zhì)，光電效應(yīng)是主要作用形式，它能使照片產(chǎn)生很好對(duì)比度，但會(huì)增加被檢者的X線劑量?？灯疹D效應(yīng)是X線在人體內(nèi)最常發(fā)生的作用，是X線診斷中散射線的最主要來源。散射線增加了照片的灰霧，降低了對(duì)比度，但它與光電效應(yīng)相比使被檢者的受照劑量較低。2021/5/18202021/5/1821光電效應(yīng)光電效應(yīng)的概念發(fā)生幾率光電效應(yīng)中的特征輻射光電子的角分布如何評(píng)價(jià)診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)2021/5/18221.光電效應(yīng)概念能量為hν的光子通過物質(zhì)時(shí)與原子的內(nèi)層電子相互作用，將全部能量交給電子，獲得能量的電子擺脫原子核的束縛成為自由電子(光電子)，光子本身被原子吸收的作用過程稱為光電效應(yīng)。2021/5/18231.光電效應(yīng)概念放出光電子的原子所處的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，其電子空位很快被外層電子躍入填充，隨即發(fā)出特征X線光子。特征X線在離開原子之前，又將外層電子擊脫，稱為“俄歇電子”。在人體組織中特征X射線和俄歇電子的能量低于0.5keV，這些低能光子和電子很快被周圍組織吸收。2021/5/18241.光電效應(yīng)概念光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么呢？物質(zhì)吸收X射線使其產(chǎn)生電離的過程。由能量守恒定律知，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射X射線光子能量hν和光電子的動(dòng)能Ee滿足關(guān)系：式中EB為原子第i層電子的結(jié)合能，與原子序數(shù)和殼層數(shù)有關(guān)。2021/5/1825例題：用能量為5eV的光子照射某種金屬，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為2.3eV，用能量為10eV的光子照射該金屬，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為多大?2021/5/18261.光電效應(yīng)概念光電效應(yīng)產(chǎn)生：①負(fù)離子

(光電子、俄歇電子)；②正離子

(丟失電子的原子)；③新的光子（特征輻射）2021/5/18272.發(fā)生幾率①入射光子必須有克服軌道電子結(jié)合能的足夠能量。碘的K電子結(jié)合能33.2keV，若光子能量是33keV，就不能擊脫該電子，但可擊脫M或L層電子。②光子能量≥電子結(jié)合能容易發(fā)生光電效應(yīng)。如一個(gè)34keV的光子比100keV的光子更容易與碘的K層電子發(fā)生作用。光子能量愈大光電效應(yīng)的發(fā)生幾率迅速減小。2021/5/18282.發(fā)生幾率③軌道電子與原子核結(jié)合得愈緊密，就愈容易發(fā)生光電效應(yīng)。高Z物質(zhì)，軌道電子的結(jié)合能較大，不僅K層而且其它殼層上的電子也較容易發(fā)生光電效應(yīng)。低Z物質(zhì)，只有K電子結(jié)合能較大，所以光電效應(yīng)幾乎都發(fā)生在K層。2021/5/18292.發(fā)生幾率④由原子的內(nèi)層脫出光電子的幾率比由外層脫出光電子的幾率要大得多。若入射光子的能量大于K電子結(jié)合能，則光電效應(yīng)發(fā)生在K層的幾率占80％，比L層高出4～5倍。2021/5/18302．發(fā)生幾率若X射線光子通過單位距離的吸收物質(zhì)時(shí)，因光電效應(yīng)而導(dǎo)致的衰減稱為光電線性衰減系數(shù)，用符號(hào)“μτ”表示；而光電質(zhì)量衰減系數(shù)，用符號(hào)“μτ/ρ”表示。實(shí)驗(yàn)和理論都準(zhǔn)確地證明光電質(zhì)量衰減系數(shù)與原子序數(shù)、光子能量之間的關(guān)系可表示為：式中n是原子序數(shù)的函數(shù)，對(duì)低原子序數(shù)材料n近似取4，對(duì)高原子序數(shù)材料n近似取4.8

2021/5/1831吸收限2021/5/18322．發(fā)生幾率光電效應(yīng)的概率在光子能量等于K、L、M電子結(jié)合能時(shí)發(fā)生突然的跳變，概率最大。光電效應(yīng)的概率特別大的地方稱為吸收限。2021/5/18333．光電效應(yīng)中的特征輻射X線管中擊脫軌道電子的是陰極飛來的高速電子，光電效應(yīng)中是X線光子，結(jié)果是造成電子空位，產(chǎn)生特征輻射。2021/5/18343．光電效應(yīng)中的特征輻射X線光子把碘的K電子擊脫，造成一個(gè)K空位時(shí)，一般情況下都是鄰近殼層的電子躍入填充其空位。L電子躍入填充時(shí)產(chǎn)生能量為28.3keV的光子輻射(33.2－4.9＝28.3keV)；L空位由M電子躍入填充時(shí)放出一個(gè)4.3keV能量的光子(4.9－0.6＝4.3keV)，一直繼續(xù)下去，直到33.2keV的能量全部轉(zhuǎn)換為光能為止。K空位也可由外來的自由電子落入填充，這時(shí)將放出一個(gè)33.2keV的光子，這是碘的最大能量的特征輻射。2021/5/18353．光電效應(yīng)中的特征輻射Ca是人體內(nèi)Z最高的主要元素，它的K特征輻射只有4keV，遠(yuǎn)小于X線光子能量，在其發(fā)生后點(diǎn)幾毫米之內(nèi)就被吸收了。人體內(nèi)其它元素的特征輻射的能量更小(0.5keV)。人體各組織由X線照射所產(chǎn)生光電效應(yīng)的特征輻射將全被組織吸收。2021/5/18364．光電子的角分布單位立體角內(nèi)放出的光電子的角度分布由下式?jīng)Q定：式中，θ是X射線光子的入射方向與光電子出射之夾角；β是光電子速度與光速之比。2021/5/18372021/5/18384．光電子的角分布光電子的角分布與光子的能量有關(guān)，當(dāng)光子能量很低時(shí)，光電子與入射方向成90°角射出的幾率最大。隨著光子能量的增加，光電子的分布逐漸傾向于前方（入射方向）。2021/5/18395．診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)，可從利弊兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。光電效應(yīng)能產(chǎn)生質(zhì)量好的照片影像，原因：①不產(chǎn)生散射線，減少照片的灰霧；②增加人體不同組織和造影劑對(duì)射線的吸收差別，產(chǎn)生高對(duì)比度的X射線照片。有害的方面是，入射X射線通過光電效應(yīng)可全部被人體吸收，增加了受檢者的劑量。2021/5/18405．診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)從被檢者接收X射線劑量看光電效應(yīng)是很有害的。被檢者從光電效應(yīng)中接收的X線劑量比其他任何作用都多。一個(gè)入射光子的能量通過光電作用全部被人體吸收，在康普頓散射中被檢者只吸收入射光子能量的一小部分。從全面質(zhì)量管理觀點(diǎn)講，應(yīng)盡量減少每次X射線檢查的劑量。2021/5/18415．診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)為此，應(yīng)設(shè)法減少光電效應(yīng)的發(fā)生。由于光電效應(yīng)發(fā)生概率與光子能量3次方成反比，利用這個(gè)特性在實(shí)際工作中采用高千伏攝影技術(shù)，從而達(dá)到降低劑量的目的。不過，在乳腺X射線攝影中，要注意平衡對(duì)比度和劑量之間的矛盾。2021/5/1842二、康普頓效應(yīng)作用過程散射光子及反沖電子散射光子及反沖電子的角分布作用幾率診斷放射學(xué)中的康普頓效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的意義2021/5/1843二、康普頓效應(yīng)2021/5/18441.作用過程當(dāng)能量為hν的光子與原子的外層軌道電子相互作用時(shí)，光子交給軌道電子部分能量后，其頻率發(fā)生改變并與入射方向成φ角散射(康普頓散射光子)，獲得足夠能量的軌道電子則脫離原子與光子入射方向成θ角的方向射出(康普頓反沖電子)

?？灯疹D發(fā)現(xiàn)，簡稱康普頓效應(yīng)或康普頓散射。2021/5/18451.作用過程康普頓效應(yīng)產(chǎn)生：①反沖電子，反沖角度θ②散射光子，散射角度φ，頻率ν′2021/5/18462．反沖電子及散射光子只有入射光子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子在原子中的結(jié)合能(約10000倍)時(shí)，才容易發(fā)生康普頓效應(yīng)。實(shí)際常忽略軌道電子的結(jié)合能，把康普頓效應(yīng)看成是入射光子與自由電子的碰撞。象兩個(gè)球的碰撞(入射光子，自由電子)，碰撞時(shí)若光子從電子邊上擦過，偏轉(zhuǎn)角度很小，反沖電子獲得的能量也很小，散射光子保留了絕大部分能量；如果碰撞更直接些，光子的偏轉(zhuǎn)角度增大，損失的能量增多；正向碰撞時(shí)，反沖電子獲得的能量最多，這時(shí)被反向折回的散射光子仍保留一定的能量。2021/5/18472．反沖電子及散射光子2021/5/18482．反沖電子及散射光子矢量圖表示在康普頓散射中和入射光子方向成不同角度的散射光子與反沖電子能量分配的特性。hν為入射光子能量，而hν1、hν2……為不同角度散射的光子能量。數(shù)字1、2……10標(biāo)出的矢量是在光子散射時(shí)生成反沖電子的動(dòng)能。光子可在0～180°的整個(gè)空間范圍內(nèi)散射，反沖電子飛出的角度不超過90°。2021/5/18492．反沖電子及散射光子散射光子能量和反沖電子動(dòng)能T

：2021/5/1850當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，散射光子能量最大，反沖電子動(dòng)能為零，這表明，在這種情況下，入射X射線光子從電子旁掠過，它的能量沒有損失。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為180°時(shí)，散射光子能量最小，相應(yīng)地反沖電子動(dòng)能最大。2021/5/18512．反沖電子及散射光子散射光子的能量隨散射角增大而減小，可得出康普頓散射中光子波長的改變?yōu)椋罕砻鲗?duì)于給定的散射角，光子波長的改變與入射光子的能量無關(guān)。2021/5/18522．反沖電子及散射光子表2-4各種偏轉(zhuǎn)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 24.924.424 235049.647.846 427574.3 70 66 58100 98.591 8472150 146 131 116952021/5/18532．反沖電子及散射光子從表中數(shù)據(jù)看出，在康普頓散射中，散射光子仍保留了大部分的能量，傳遞給反沖電子的能量是很少的。小角度偏轉(zhuǎn)的光子，幾乎仍保留其全部能量。這會(huì)產(chǎn)生小角度的散射線不可避免地要到達(dá)膠片產(chǎn)生灰霧而降低照片的質(zhì)量。原因是散射線的能量大，濾過板不能將它濾除；由于它的偏轉(zhuǎn)角度小，所以也不能用濾線柵把它從有用線束中去掉。2021/5/1854例題若一能量為20keV的光子與物質(zhì)發(fā)生康普頓散射，則反沖電子獲得的最大能量是多少？事實(shí)上當(dāng)光子的波長改變最大時(shí)，轉(zhuǎn)移給電子的能量最大。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為180°時(shí)，最大改變波長為2021/5/1855在180°方向上散射光子的波長為

散射光子的能量為20keV光子的波長為2021/5/1856這樣，反沖電子的能量Ek為通過此題進(jìn)一步說明了，當(dāng)?shù)湍芄庾咏?jīng)歷康普頓作用時(shí)，入射光子的大部分能量被散射光子帶走，反沖電子僅獲得很少的能量。2021/5/18573．散射光子和反沖電子的角分布康普頓散射光子的角分布，強(qiáng)烈地依賴于入射光子的能量。對(duì)0.1MeV的低能光子產(chǎn)生的散射光子對(duì)稱于90°角分布，隨著光子能量的增加，散射光子趨于前方。從曲線上一點(diǎn)到作用點(diǎn)的距離表示在該方向上散射線的強(qiáng)度。如果以X線的入射方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)一周就成為散射線強(qiáng)度的空間分布圖。2021/5/18583.康普頓散射光子和反沖電子的角分布2021/5/18593.康普頓散射光子和反沖電子的角分布2021/5/18604.作用幾率實(shí)驗(yàn)和理論都可以準(zhǔn)確證明康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)的表達(dá)式為式中c2=c1N0是另一個(gè)常數(shù)。2021/5/18614.作用幾率若X射線光子通過單位距離的吸收物質(zhì)時(shí)，因康普頓效應(yīng)而導(dǎo)致的衰減稱為康普頓線性衰減系數(shù)，用符號(hào)“μσ”表示；而康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)，用符號(hào)“μσ/ρ”表示。實(shí)驗(yàn)和理論都準(zhǔn)確地證明康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)與入射光子能量之間的關(guān)系可表示為：2021/5/18624.作用幾率隨著入射光子的能量的增加，光電效應(yīng)發(fā)生概率下降，康普頓效應(yīng)發(fā)生概率相對(duì)提高，在醫(yī)學(xué)影像上的表現(xiàn)是骨骼與軟組織的對(duì)比度下降。2021/5/18634.作用幾率既然康普頓效應(yīng)涉及的是吸收物質(zhì)中的自由電子，那么康普頓效應(yīng)發(fā)生的概率與原子序數(shù)Z無關(guān)，僅與物質(zhì)的每克電子數(shù)相關(guān)。由于所有物質(zhì)的每克電子數(shù)()均十分接近（氫除外），故所有物質(zhì)康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)幾乎相同。2021/5/1864物質(zhì)密度(kf/m3)有效原子序數(shù)ρe(×1023電子數(shù)/g)氫8988×10-515.97碳225063.01氧1.42983.01鋁2.699×103132.9鉛1.136×104822.38空氣1.2937.783.01水1×1037.423.34肌肉1.04×1037.643.31脂肪9.16×1026.463.34骨1.65×10313.83.192021/5/18655.診斷放射學(xué)中的康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)中產(chǎn)生的散射線是輻射防護(hù)中必須引起注意的問題。在X射線診斷中，從受檢者身上產(chǎn)生的散射線其能量與原射線相差很少，并且散射線比較對(duì)稱地分布在整個(gè)空間，這個(gè)事實(shí)必須引起醫(yī)生和技術(shù)人員的重視，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。另外，散射線增加了照片的灰霧，降低了影像的對(duì)比度，但與光電效應(yīng)相比受檢者的劑量較低。2021/5/18666.發(fā)現(xiàn)的意義康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)都為光的粒子性提供了令人信服的證據(jù)。然而，康普頓效應(yīng)比光電效應(yīng)更前進(jìn)了一步，因?yàn)樵诮忉尶灯疹D效應(yīng)時(shí)不但要考慮能量守恒，還要考慮動(dòng)量守恒。這個(gè)效應(yīng)既說明了光的粒子性，也必須承認(rèn)光的波動(dòng)性，由此它為光的波粒二象性及德布羅意物質(zhì)波假說提供了更完全的證據(jù)?？灯疹D效應(yīng)宣布于1923年，確證于1926年，1927年即獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，說明這一成果影響之大，有人甚至把康普頓效應(yīng)看成是物理學(xué)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)之一。

2021/5/1867三、電子對(duì)效應(yīng)2021/5/18682021/5/1869三、電子對(duì)效應(yīng)概念：在原子核場或原子的電子場中，一個(gè)入射光子突然消失而轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)電子。正電子與電子的質(zhì)量相等，所帶電量相等，性質(zhì)相反。正電子與電子一樣，在物質(zhì)中由于電離或激發(fā)逐漸耗盡其動(dòng)能。慢化的正電子在停止前的一剎那，很快與物質(zhì)中的自由電子復(fù)合，隨即向相反方面射出兩個(gè)能量各為0.511MeV的光子，這個(gè)現(xiàn)象稱為湮滅(annihilation)輻射。2021/5/1870三、電子對(duì)效應(yīng)原子核場中產(chǎn)生電子對(duì)效應(yīng)時(shí)，入射光子的能量h≥2m0c2(2m0c2=