放射防護(hù)5X線與物質(zhì)的相互作用ppt課件

1、X(或)射線與物質(zhì)的相互作用l原子的核外電子因與外界相互作用獲得足夠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，造成原子的能量，掙脫原子核對(duì)它的束縛，造成原子的電離。的電離。l電離是由具有足夠動(dòng)能的帶電粒子，如電子、電離是由具有足夠動(dòng)能的帶電粒子，如電子、質(zhì)子、質(zhì)子、粒子，與原子中的電子碰撞引起的。粒子，與原子中的電子碰撞引起的。l原子的核外電子受原子核的束縛不同，帶電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?？`能量，才能使物質(zhì)的原子電離。l不帶電粒子，如光子、中子等，

2、本身不能使物質(zhì)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。與物質(zhì)中的原子作用，引起原子的電離。l由帶電粒子通過(guò)碰撞直接引起物質(zhì)的原子或分子由帶電粒子通過(guò)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的電離稱為直接電離，這些帶電粒子稱為直接電離粒子。離粒子。l不帶電粒子通過(guò)它們與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的帶電不帶電粒子通過(guò)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

3、。這些不帶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。電粒子稱為間接電離粒子。l由直接電離粒子或間接電離粒子、或兩者混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。合組成的輻射成為電離輻射。l另外，有些輻射如紅外線、可見(jiàn)光、微波等另外，有些輻射如紅外線、可見(jiàn)光、微波等電磁波以及低能粒子，由于其能量低，不能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。引起物質(zhì)原子的電離，成為非電離輻射。輻射的類(lèi)型輻射的類(lèi)型lDirectly ionizing radiationl electronsl protonsl -particlesl

4、other heavy charged particlelIndirectly ionizing radiationl uncharged particles l such as neutron and photons 電離輻射與物質(zhì)電離輻射與物質(zhì)的相互作用是的相互作用是X射線成像的物理射線成像的物理基礎(chǔ)和電離輻射基礎(chǔ)和電離輻射劑量學(xué)的基礎(chǔ)。劑量學(xué)的基礎(chǔ)。帶電粒子與物質(zhì)的相互作用的主要方式帶電粒子與物質(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，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，作用的主要方式有與物質(zhì)原子發(fā)生作用，作用的主要方式有與核外電子發(fā)生非彈性碰撞

5、；與核外電子發(fā)生非彈性碰撞；與原子核發(fā)生非彈性碰撞；與原子核發(fā)生非彈性碰撞；與原子核發(fā)生彈性碰撞；與原子核發(fā)生彈性碰撞；與原子核發(fā)生核反應(yīng)。與原子核發(fā)生核反應(yīng)。 X線與物質(zhì)的相互作用lX X線與物質(zhì)的作用都是和原子發(fā)生作用。線與物質(zhì)的作用都是和原子發(fā)生作用。X X線在物質(zhì)中可引起物理的、化學(xué)的和生線在物質(zhì)中可引起物理的、化學(xué)的和生物的各種效應(yīng)。物的各種效應(yīng)。l當(dāng)當(dāng)X X光子進(jìn)入生物組織后，與體內(nèi)某個(gè)電光子進(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。子相互作用，形成高速電子和散射線。l高速電子通過(guò)組織時(shí)，與原子相互作用，高速電子通過(guò)組織時(shí)，與原子相互作用，使其電離或激發(fā)，產(chǎn)生化

6、學(xué)變化和生物使其電離或激發(fā)，產(chǎn)生化學(xué)變化和生物損傷；在被吸收的能量中，損傷；在被吸收的能量中，9797的轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，為熱能?%3%的能量以引起化學(xué)變化的形的能量以引起化學(xué)變化的形式積蓄起來(lái)。式積蓄起來(lái)。X線與物質(zhì)的相互作用l高速電子還可以發(fā)生輻射性碰撞而產(chǎn)生高速電子還可以發(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。射線一樣繼續(xù)與物質(zhì)的原子作用。l平均平均3030次左右的相互作用，一個(gè)入射光次左右的相互作用，一個(gè)入射光子的全部能量都轉(zhuǎn)移給電子。子的全部能量都轉(zhuǎn)移給電子。lX光子進(jìn)入生物組織后，光子能量在其光子進(jìn)入生

7、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)。中轉(zhuǎn)移、吸收，最終引起生物效應(yīng)。X線與物質(zhì)的相互作用lX X線在物質(zhì)中可能與原子的電子、原子核、帶電線在物質(zhì)中可能與原子的電子、原子核、帶電粒子的電場(chǎng)以及原子核的介子場(chǎng)發(fā)生相互作用，粒子的電場(chǎng)以及原子核的介子場(chǎng)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。非彈性散射。l吸收時(shí)光子的能量全部變?yōu)槠渌问降哪芰?；吸收時(shí)光子的能量全部變?yōu)槠渌问降哪芰?；l彈性散射僅改變輻射的傳播方向，彈性散射僅改變輻射的傳播方向，l非彈性散射改變輻射的方向，也部分地吸收光非彈性散射改變輻射的方向，也部分

8、地吸收光子的能量。子的能量。X X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用lX X射線與物質(zhì)相互作用的主要過(guò)程包括：射線與物質(zhì)相互作用的主要過(guò)程包括：l光電效應(yīng)光電效應(yīng) (photoelectric effect) (photoelectric effect)l康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)(Compton effect)(Compton effect)l電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)(electronic pair effect(electronic pair effect）l三種主要過(guò)程損失能量的絕大部分。其三種主要過(guò)程損失能量的絕大部分。其他次要過(guò)程有相干散射、光核反應(yīng)等。他次要過(guò)程有相干散射、光核反應(yīng)等。

9、總結(jié)總結(jié)lhv Ei 康普敦效應(yīng)康普敦效應(yīng)lhv 2mec2 電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)lhv 很高很高 光核反應(yīng)光核反應(yīng)l總質(zhì)量減弱系數(shù)總質(zhì)量減弱系數(shù)cohp吸收和散射吸收和散射入射入射X線線直接透過(guò)直接透過(guò)光電吸收光電吸收電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)散射散射光電子光電子俄歇電子俄歇電子特征放射特征放射康普頓散射康普頓散射相干散射相干散射散射光子散射光子反沖電子反沖電子正電子、電子正電子、電子湮滅輻射光子湮滅輻射光子總結(jié)總結(jié)總結(jié)總結(jié)l在在0.010.0110MeV10MeV范圍內(nèi)，產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓范圍內(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(guò)程。效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)三個(gè)基本過(guò)程。l在光子能量較低時(shí)

10、在光子能量較低時(shí), ,除低除低Z Z以外的所有元素都以光以外的所有元素都以光電效應(yīng)為主。電效應(yīng)為主。l光子能量在光子能量在0.80.84MeV4MeV時(shí)，無(wú)論時(shí)，無(wú)論Z Z多大，康普頓效多大，康普頓效應(yīng)都占主導(dǎo)地位。應(yīng)都占主導(dǎo)地位。l大的大的hh處電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。圖中的曲線表示兩處電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。圖中的曲線表示兩種相鄰效應(yīng)正好相等處的種相鄰效應(yīng)正好相等處的Z Z和和hh值。值。l在在2020100keV100keV的診斷的診斷X X線范圍內(nèi)，光電效應(yīng)和康線范圍內(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。子對(duì)效應(yīng)不可

11、能發(fā)生?？偨Y(jié)總結(jié)l水、致密骨和水、致密骨和NaINaI對(duì)對(duì)2020100keV100keV的光子能量的光子能量所發(fā)生的各種作用的百分?jǐn)?shù)。所發(fā)生的各種作用的百分?jǐn)?shù)。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線線能量能量keV水（水（7.4）骨（骨（13.8） 碘化鈉（碘化鈉（49.8）光光 電電（%）康普頓康普頓（%）光光 電電（%）康普頓康普頓（%）光光 電電（%）康普頓康普頓（%）20703089119466079331699551001999918812總結(jié)總結(jié)l用水來(lái)說(shuō)明低用水來(lái)說(shuō)明低Z Z組織的情況，如空氣、脂肪組織的情況，如空氣、脂

12、肪和肌肉。和肌肉。l致密骨含有大量鈣質(zhì)，代表中等致密骨含有大量鈣質(zhì)，代表中等Z Z的物質(zhì)。的物質(zhì)。l相干散射僅占相干散射僅占5%5%左右。左右。l水中除低能光子外，康普頓散射是主要的。水中除低能光子外，康普頓散射是主要的。lNaINaI的的Z Z高，主要是光電作用。高，主要是光電作用。l骨介于水和骨介于水和NaINaI之間，低能時(shí)主要是光電作之間，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。用，較高能量時(shí)康普頓散射是主要的?？偨Y(jié)總結(jié)l對(duì)對(duì)Z Z較低的軟組織，在射線能量很低時(shí)光電效應(yīng)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為主；放射攝影中常用鉬靶X X線機(jī)產(chǎn)生的低能

13、線機(jī)產(chǎn)生的低能X X線線攝片，是為了增加光電效應(yīng)的幾率使照片的對(duì)比攝片，是為了增加光電效應(yīng)的幾率使照片的對(duì)比度提高。度提高。l低能光子對(duì)高低能光子對(duì)高Z Z吸收物質(zhì)，光電效應(yīng)是主要作用吸收物質(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)增加被檢者的檢者的X X線劑量。線劑量。l康普頓效應(yīng)是康普頓效應(yīng)是X X線在人體內(nèi)最常發(fā)生的作用，是線在人體內(nèi)最常發(fā)生的作用，是X X線診斷中散射線的最主要來(lái)源。散射線增加了照線診斷中散射線的最主要來(lái)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

14、的受照劑量較低。使被檢者的受照劑量較低。光電效應(yīng)光電效應(yīng)l光電效應(yīng)的概念光電效應(yīng)的概念l發(fā)生幾率發(fā)生幾率l光電效應(yīng)中的特征輻射光電效應(yīng)中的特征輻射l光電子的角分布光電子的角分布l如何評(píng)價(jià)診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)如何評(píng)價(jià)診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)1.光電效應(yīng)概念l能量為能量為hh的光子通過(guò)的光子通過(guò)物質(zhì)時(shí)與原子的內(nèi)層物質(zhì)時(shí)與原子的內(nèi)層電子相互作用，將全電子相互作用，將全部能量交給電子，獲部能量交給電子，獲得能量的電子擺脫原得能量的電子擺脫原子核的束縛成為自由子核的束縛成為自由電子電子( (光電子光電子) )，光子，光子本身被原子吸收的作本身被原子吸收的作用過(guò)程稱為光電效應(yīng)。用過(guò)程稱為光電效應(yīng)。1.光電

15、效應(yīng)概念l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(kāi)原子之前，又將外層電子擊脫，稱為“俄歇電子”。l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?chē)M織吸收。1.光電效應(yīng)概念l光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么呢？l物質(zhì)吸收X射線使其產(chǎn)生電離的過(guò)程。l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h和光電子的動(dòng)能Ee滿足關(guān)系：BeEEh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)。例題：例題：l用能量為用能量為5eV的光子照射某種金屬，產(chǎn)生的的光子照射某種金屬，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為光

16、電子的最大初動(dòng)能為2.3eV，用能量為，用能量為10eV的光子照射該金屬，產(chǎn)生的光電子的的光子照射該金屬，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為多大最大初動(dòng)能為多大?1.光電效應(yīng)概念光電效應(yīng)產(chǎn)生：負(fù)離子 (光電子、俄歇電子)；正離子 (丟失電子的原子)；新的光子 （特征輻射）2.發(fā)生幾率l入射光子必須有克服軌道電子結(jié)合能的足入射光子必須有克服軌道電子結(jié)合能的足夠能量。碘的夠能量。碘的K K電子結(jié)合能電子結(jié)合能33.2keV33.2keV，若光子，若光子能量是能量是33keV33keV，就不能擊脫該電子，但可擊，就不能擊脫該電子，但可擊脫脫M M或或L L層電子。層電子。l光子能量光子能量電子結(jié)合能容易發(fā)生

17、光電效應(yīng)。電子結(jié)合能容易發(fā)生光電效應(yīng)。如一個(gè)如一個(gè)34keV34keV的光子比的光子比100keV100keV的光子更容易的光子更容易與碘的與碘的K K層電子發(fā)生作用。光子能量愈大光層電子發(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。電效應(yīng)的發(fā)生幾率迅速減小。2.發(fā)生幾率l軌道電子與原子核結(jié)合得愈緊密，就愈容易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)。發(fā)生光電效應(yīng)。l高高Z Z物質(zhì)，軌道電子的結(jié)合能較大，不僅物質(zhì)，軌道電子的結(jié)合能較大，不僅K K層而層而且其它殼層上的電子也較容易發(fā)生光電效應(yīng)。且其它殼層上的電子也較容易發(fā)生光電效應(yīng)。l低低Z Z物質(zhì)，只有物質(zhì)，只有K K電子結(jié)合能

18、較大，所以光電效電子結(jié)合能較大，所以光電效應(yīng)幾乎都發(fā)生在應(yīng)幾乎都發(fā)生在K K層。層。2.發(fā)生幾率l由原子的內(nèi)層脫出光電子的幾率比由外層脫由原子的內(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。若入射光子的能量出光電子的幾率要大得多。若入射光子的能量大于大于K K電子結(jié)合能，則光電效應(yīng)發(fā)生在電子結(jié)合能，則光電效應(yīng)發(fā)生在K K層的幾層的幾率占率占8080，比，比L L層高出層高出4 45 5倍。倍。 2發(fā)生幾率l若若X射線光子通過(guò)單位距離的吸收物質(zhì)時(shí)，射線光子通過(guò)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)減系數(shù)，用符號(hào)“表示；

19、而光電質(zhì)量衰表示；而光電質(zhì)量衰減系數(shù)，用符號(hào)減系數(shù)，用符號(hào)“/表示。表示。l實(shí)驗(yàn)和理論都準(zhǔn)確地證明光電質(zhì)量衰減系實(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)系可表數(shù)與原子序數(shù)、光子能量之間的關(guān)系可表示為：示為：31)/(hZn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 吸收限吸收限2 2發(fā)生幾率發(fā)生幾率l光電效應(yīng)的概率在光子能量等于光電效應(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，電子結(jié)合能時(shí)發(fā)生突然的跳變，概率最大。概率最大。l光電效應(yīng)的概率特別大的地方稱為光電效應(yīng)的概率特別大的地方稱為吸收限。吸收限。3 3光電效

20、應(yīng)中的特征輻射光電效應(yīng)中的特征輻射lX X線管中擊脫軌線管中擊脫軌道電子的是陰極道電子的是陰極飛來(lái)的高速電子，飛來(lái)的高速電子，l光電效應(yīng)中是光電效應(yīng)中是X X線光子，結(jié)果是線光子，結(jié)果是造成電子空位，造成電子空位，產(chǎn)生特征輻射。產(chǎn)生特征輻射。3 3光電效應(yīng)中的特征輻射光電效應(yīng)中的特征輻射lX X線光子把碘的線光子把碘的K K電子擊脫，造成一個(gè)電子擊脫，造成一個(gè)K K空位時(shí)，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。一般情況下都是鄰近殼層的電子躍入填充其空位。lL L電子躍入填充時(shí)產(chǎn)生能量為電子躍入填充時(shí)產(chǎn)生能量為28.3keV28.3keV的光子輻射的光子輻射(33.2(33.24.

21、94.928.3keV)28.3keV)；lL L空位由空位由M M電子躍入填充時(shí)放出一個(gè)電子躍入填充時(shí)放出一個(gè)4.3keV4.3keV能量的能量的光子光子(4.9(4.90.60.64.3keV)4.3keV)，一直繼續(xù)下去，直到，一直繼續(xù)下去，直到33.2keV33.2keV的能量全部轉(zhuǎn)換為光能為止。的能量全部轉(zhuǎn)換為光能為止。lK K空位也可由外來(lái)的自由電子落入填充，這時(shí)將空位也可由外來(lái)的自由電子落入填充，這時(shí)將放出一個(gè)放出一個(gè)33.2keV33.2keV的光子，這是碘的最大能量的的光子，這是碘的最大能量的特征輻射。特征輻射。3 3光電效應(yīng)中的特征輻射光電效應(yīng)中的特征輻射lCaCa是人體內(nèi)

22、是人體內(nèi)Z Z最高的主要元素，它的最高的主要元素，它的K K特征特征輻射只有輻射只有4 keV4 keV，遠(yuǎn)小于，遠(yuǎn)小于X X線光子能量，在線光子能量，在其發(fā)生后點(diǎn)幾毫米之內(nèi)就被吸收了。其發(fā)生后點(diǎn)幾毫米之內(nèi)就被吸收了。l人體內(nèi)其它元素的特征輻射的能量更小人體內(nèi)其它元素的特征輻射的能量更小(0.5 keV)(0.5 keV)。l人體各組織由人體各組織由X X線照射所產(chǎn)生光電效應(yīng)的線照射所產(chǎn)生光電效應(yīng)的特征輻射將全被組織吸收。特征輻射將全被組織吸收。4 4光電子的角分布光電子的角分布l單位立體角內(nèi)放出的光電子的角度分布由單位立體角內(nèi)放出的光電子的角度分布由下式?jīng)Q定下式?jīng)Q定 ：l式中，式中，是是X射

23、線光子的入射方向與光電子射線光子的入射方向與光電子出射之夾角；出射之夾角；l是光電子速度與光速之比。是光電子速度與光速之比。 42)cos1 (sinddN4 4光電子的角分布光電子的角分布l光電子的角分布與光子的能量有關(guān)，當(dāng)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光子能量很低時(shí)，光電子與入射方向成9090角射出的幾率最大。角射出的幾率最大。l隨著光子能量的增加，光電子的分布逐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）。漸傾向于前方入射方向）。5 5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)l診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)，可從利弊兩個(gè)診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)

24、，可從利弊兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。 l光電效應(yīng)能產(chǎn)生質(zhì)量好的照片影像，緣由：光電效應(yīng)能產(chǎn)生質(zhì)量好的照片影像，緣由：l不產(chǎn)生散射線，減少照片的灰霧；不產(chǎn)生散射線，減少照片的灰霧；l增加人體不同組織和造影劑對(duì)射線的吸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)比度的收差別，產(chǎn)生高對(duì)比度的X射線照片。射線照片。l有害的方面是，入射有害的方面是，入射X射線通過(guò)光電效應(yīng)可射線通過(guò)光電效應(yīng)可全部被人體吸收，增加了受檢者的劑量。全部被人體吸收，增加了受檢者的劑量。5診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)l從被檢者接收從被檢者接收X X射線劑量看光電效應(yīng)是很射線劑量看光電效應(yīng)是很有害的。有害的。l被檢者從光電效

25、應(yīng)中接收的被檢者從光電效應(yīng)中接收的X X線劑量比其線劑量比其他任何作用都多。一個(gè)入射光子的能量他任何作用都多。一個(gè)入射光子的能量通過(guò)光電作用全部被人體吸收，在康普通過(guò)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頓散射中被檢者只吸收入射光子能量的一小部分。一小部分。l從全面質(zhì)量管理觀點(diǎn)講，應(yīng)盡量減少每從全面質(zhì)量管理觀點(diǎn)講，應(yīng)盡量減少每次次X X射線檢查的劑量。射線檢查的劑量。5診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)l為此，應(yīng)設(shè)法減少光電效應(yīng)的發(fā)生。為此，應(yīng)設(shè)法減少光電效應(yīng)的發(fā)生。l由于光電效應(yīng)發(fā)生概率與光子能量由于光電效應(yīng)發(fā)生概率與光子能量3次方次方成反比，利用這個(gè)特性在實(shí)際工作中采成反比，

26、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)到降低劑量用高千伏攝影技術(shù)，從而達(dá)到降低劑量的目的。的目的。l不過(guò)，在乳腺不過(guò)，在乳腺X射線攝影中，要注意平衡射線攝影中，要注意平衡對(duì)比度和劑量之間的矛盾。對(duì)比度和劑量之間的矛盾。二、康普頓效應(yīng)二、康普頓效應(yīng)l作用過(guò)程作用過(guò)程l散射光子及反沖電子散射光子及反沖電子l散射光子及反沖電子的角分布散射光子及反沖電子的角分布l作用幾率作用幾率l診斷放射學(xué)中的康普頓效應(yīng)診斷放射學(xué)中的康普頓效應(yīng)l發(fā)現(xiàn)的意義發(fā)現(xiàn)的意義二、康普頓效應(yīng)1.作用過(guò)程l當(dāng)能量為當(dāng)能量為hh的光子與原子的外層軌道電子相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，

27、其互作用時(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頻率發(fā)生改變并與入射方向成角散射角散射( (康普康普頓散射光子頓散射光子) )，獲得足夠能量的軌道電子則脫，獲得足夠能量的軌道電子則脫離原子與光子入射方向成離原子與光子入射方向成角的方向射出角的方向射出( (康康普頓反沖電子普頓反沖電子) ) 。l康普頓發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)稱康普頓效應(yīng)或康普頓散射?？灯疹D發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)稱康普頓效應(yīng)或康普頓散射。1.作用過(guò)程l康普頓效應(yīng)產(chǎn)康普頓效應(yīng)產(chǎn)生：生：l反沖電子，反沖電子，反沖角度反沖角度l散射光子，散射光子，散射角度散射角度，頻，頻率率2反沖電子及散射光子l只有入射光子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電子在原子中的結(jié)合能只有

28、入射光子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電子在原子中的結(jié)合能( (約約1000010000倍倍) )時(shí)，才容易發(fā)生康普頓效應(yīng)。時(shí)，才容易發(fā)生康普頓效應(yīng)。l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。射光子與自由電子的碰撞。l象兩個(gè)球的碰撞象兩個(gè)球的碰撞( (入射光子，自由電子入射光子，自由電子) )，碰撞時(shí)若光子，碰撞時(shí)若光子從電子邊上擦過(guò)，偏轉(zhuǎn)角度很小，反沖電子獲得的能量從電子邊上擦過(guò)，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

29、，損失的能量增多；正向碰接些，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。射光子仍保留一定的能量。2反沖電子及散射光子2反沖電子及散射光子l矢量圖表示在康普頓散射中和入射光子方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向成不同角度的散射光子與反沖電子能量分配的特性。分配的特性。hh為入射光子能量，而為入射光子能量，而h1h1、h2 h2 為不同角度散射的光子能量。數(shù)為不同角度散射的光子能量。數(shù)字字1 1、210210標(biāo)出的矢量是在光子散射時(shí)標(biāo)出的矢

30、量是在光子散射時(shí)生成反沖電子的動(dòng)能。生成反沖電子的動(dòng)能。l光子可在光子可在0 0180180的整個(gè)空間范圍內(nèi)散射，的整個(gè)空間范圍內(nèi)散射，反沖電子飛出的角度不超過(guò)反沖電子飛出的角度不超過(guò)9090。2反沖電子及散射光子l散射光子能量和反沖電子動(dòng)能T ：h)cos1 (1)cos1 (hhT)cos1 (1hhMeVcmcmh511.02020l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(guò)，它的能量沒(méi)有損失。 l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。 cos11cos1cos11hEhh2反沖電子及散射光子l散射光子的

31、能量隨散射角增大而減小，可得出康普頓散射中光子波長(zhǎng)的改變?yōu)椋簂表明對(duì)于給定的散射角，光子波長(zhǎng)的改變與入射光子的能量無(wú)關(guān)。cos10cmhcos10243. 02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 24.9 24.4 24 23 50 49.6 47.8 46 42 75 74.3 70 66 58 100 98.5 91 84 72 150 146 131 116 952反沖電子及散射光子l從表中數(shù)據(jù)看出，在康普頓散射中，散射從表中數(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

32、給反沖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。電子的能量是很少的。l小角度偏轉(zhuǎn)的光子，幾乎仍保留其全部能小角度偏轉(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。要到達(dá)膠片產(chǎn)生灰霧而降低照片的質(zhì)量。l原因是散射線的能量大，濾過(guò)板不能將它原因是散射線的能量大，濾過(guò)板不能將它濾除；由于它的偏轉(zhuǎn)角度小，所以也不能濾除；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。用濾線柵把它從有用線束中去掉。例題例題l若一能量為若一能量為20keV的光子與物質(zhì)發(fā)生康普頓的光子與物質(zhì)發(fā)生康普頓散射，則反

33、沖電子獲得的最大能量是多少？散射，則反沖電子獲得的最大能量是多少？l事實(shí)上當(dāng)光子的波長(zhǎng)改變最大時(shí)，轉(zhuǎn)移給電事實(shí)上當(dāng)光子的波長(zhǎng)改變最大時(shí)，轉(zhuǎn)移給電子的能量最大。子的能量最大。l當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為180時(shí)，最大改變波長(zhǎng)為時(shí)，最大改變波長(zhǎng)為 0.005nmnm 00486. 0180cos100243. 00maxnmnm067. 0)005. 0062. 0(keVnm6 .18067.024.124.1h在在180方向上散射光子的波長(zhǎng)為方向上散射光子的波長(zhǎng)為 散射光子的能量為散射光子的能量為20keV光子的波長(zhǎng)為光子的波長(zhǎng)為nmkeV062. 02024. 124. 1hkeVkeV4 . 1

34、)6 .1820(hhEk這樣，反沖電子的能量Ek為通過(guò)此題進(jìn)一步說(shuō)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。3散射光子和反沖電子的角分布l康普頓散射光子的角分布，強(qiáng)烈地依賴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)于入射光子的能量。對(duì)0.1MeV0.1MeV的低能光的低能光子產(chǎn)生的散射光子對(duì)稱于子產(chǎn)生的散射光子對(duì)稱于9090角分布，隨角分布，隨著光子能量的增加，散射光子趨于前方。著光子能量的增加，散射光子趨于前方。l從曲線上一點(diǎn)到作用點(diǎn)的距離表示在該從曲線上一點(diǎn)到作用點(diǎn)的距離表示在該方向上散射線的強(qiáng)度。如果以方向上散射線的強(qiáng)度

35、。如果以X X線的入射線的入射方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)一周就成為散射線強(qiáng)度的方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)一周就成為散射線強(qiáng)度的空間分布圖。空間分布圖。3.康普頓散射光子和反沖電子的角分布康普頓散射光子和反沖電子的角分布3.康普頓散射光子和反沖電子的角分布康普頓散射光子和反沖電子的角分布4.作用幾率作用幾率l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l式中c2=c1N0是另一個(gè)常數(shù)。ZAcZANc201m4.作用幾率作用幾率l若若X射線光子通過(guò)單位距離的吸收物質(zhì)時(shí)，射線光子通過(guò)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)性衰減系數(shù)，用符號(hào)“表示；

36、而康普頓表示；而康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)，用符號(hào)質(zhì)量衰減系數(shù)，用符號(hào)“/表示。表示。l實(shí)驗(yàn)和理論都準(zhǔn)確地證明康普頓質(zhì)量衰減實(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：系數(shù)與入射光子能量之間的關(guān)系可表示為： h/14.作用幾率作用幾率l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。4.作用幾率作用幾率l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(wú)關(guān)，僅與物質(zhì)的每克電子數(shù)相關(guān)。l由于所有物質(zhì)的每克電子數(shù)( )均十分接近l （氫除外），故所有物質(zhì)康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)

37、幾乎相同。ZAN0物質(zhì)物質(zhì) 密度密度(kf/m3)有效原子序數(shù)有效原子序數(shù)e e( (10102323電子數(shù)電子數(shù)/g)/g)氫氫898810-515.97碳碳225063.01氧氧1.42983.01鋁鋁2.699103132.9鉛鉛1.136104822.38空氣空氣1.2937.783.01水水11037.423.34肌肉肌肉1.041037.643.31脂肪脂肪9.161026.463.34骨骨1.6510313.83.195. 診斷放射學(xué)中的康普頓效應(yīng)l康普頓效應(yīng)中產(chǎn)生的散射線是輻射防護(hù)中康普頓效應(yīng)中產(chǎn)生的散射線是輻射防護(hù)中必須引起注意的問(wèn)題。必須引起注意的問(wèn)題。l在在X射線診斷中，

38、從受檢者身上產(chǎn)生的散射射線診斷中，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。應(yīng)的防護(hù)措施。l另外，散射線增加了照片的灰霧，降低了另外，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)相比受檢者影像的對(duì)比度，但與光電效應(yīng)相比受檢者的劑量較低。的劑量較低。6.發(fā)現(xiàn)的意義發(fā)現(xiàn)的意義l康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)都為光的粒子性提供了令康普頓效應(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)。人信服

39、的證據(jù)。l然而，康普頓效應(yīng)比光電效應(yīng)更前進(jìn)了一步，因然而，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，還為在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)不但要考慮能量守恒，還要考慮動(dòng)量守恒。要考慮動(dòng)量守恒。l這個(gè)效應(yīng)既說(shuō)明了光的粒子性，也必須承認(rèn)光的這個(gè)效應(yīng)既說(shuō)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(shuō)提供了更完全的證據(jù)。質(zhì)波假說(shuō)提供了更完全的證據(jù)。l康普頓效應(yīng)宣布于康普頓效應(yīng)宣布于1923年，確證于年，確證于1926年，年，1927年即獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，說(shuō)明這一成果影年即獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，說(shuō)明這一成果影響

40、之大，有人甚至把康普頓效應(yīng)看成是物理學(xué)的響之大，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。轉(zhuǎn)折點(diǎn)之一。三、電子對(duì)效應(yīng)三、電子對(duì)效應(yīng)l概念：在原子核場(chǎng)或原子的電子場(chǎng)中，一概念：在原子核場(chǎng)或原子的電子場(chǎng)中，一個(gè)入射光子突然消失而轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)個(gè)入射光子突然消失而轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)電子。電子。l正電子與電子的質(zhì)量相等，所帶電量相等，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。由于電離或激發(fā)逐漸耗盡其動(dòng)能。l慢化的正電子在停止前的一剎那，很快與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

41、即向相反方面物質(zhì)中的自由電子復(fù)合，隨即向相反方面射出兩個(gè)能量各為射出兩個(gè)能量各為0.511 MeV0.511 MeV的光子，這個(gè)的光子，這個(gè)現(xiàn)象稱為湮滅現(xiàn)象稱為湮滅(annihilation)(annihilation)輻射。輻射。三、電子對(duì)效應(yīng)l原子核場(chǎng)中產(chǎn)生電子對(duì)效應(yīng)時(shí)，入射光子的能量原子核場(chǎng)中產(chǎn)生電子對(duì)效應(yīng)時(shí)，入射光子的能量h2m0c2(2m0c2=1.02 MeV)h2m0c2(2m0c2=1.02 MeV)。原子的電子場(chǎng)中，。原子的電子場(chǎng)中，入射光子的能量入射光子的能量h4m0c2(4m0c2h4m0c2(4m0c22.04 MeV)2.04 MeV)。l電子對(duì)效應(yīng)在原子核場(chǎng)中發(fā)生的幾率，遠(yuǎn)大于在電子對(duì)效應(yīng)在原子核場(chǎng)中發(fā)生的幾率，遠(yuǎn)大于在電子場(chǎng)中發(fā)生的幾率。電子場(chǎng)中發(fā)生的幾率。