X線與物質(zhì)的相互作用

X線與物質(zhì)的相互作用X線與物質(zhì)相互作用形式：相干散射、光電效應、康普頓效應、電子對效應和光核反應五種。診斷用X線能量范圍主要涉及光電效應和康普頓效應。1．相干散射X線與物質(zhì)的相互作用發(fā)生干涉的散射過程。一個束縛電子吸收入射光子能量躍遷到高能級，隨即放出一個與原入射光子同樣波長、方向不同的光子，此即相干散射。相干散射在X線與物質(zhì)相互作用時所占幾率很小，不超過5％，實際作用不大。2．光電效應（1）光電效應的定義X線與物質(zhì)相互作用時，X線光子能量(hυ)全部給予了物質(zhì)原子的殼層電子，獲得能量的電子擺脫原子核的束縛成為自由電子(即光電子)。而X線光子本身則被物質(zhì)的原子吸收，這一過程稱為光電效應。（2）光電效應的產(chǎn)物光電效應，在攝影用X線能量范圍內(nèi)是和物質(zhì)相互作用的主要形式之一。它是以光子擊脫原子的內(nèi)層軌道電子而發(fā)生。有如特征放射的發(fā)生過程。但又不完全一樣，其主要差別是擊脫電子的方式不同。光電效應可產(chǎn)生三種東西：特征放射、光電子(也叫負離子)和正離子(即缺少電子的原子)。在產(chǎn)生光電效應的過程中，當一個光子在擊脫電子時，其大部分能量是用于克服電子的結合能，多余能量作為被擊脫電子(光電子、負離子)的動能。由于帶電粒子穿透力很小，當這個電子進入空間后，很快就被吸收掉。失掉電子的原子軌道上的電子空位，很快就有電子來補充。這個電子經(jīng)常是來自同原子的L層或M層軌道上的電子，有時也可來自其他原子的自由電子。在電子落入K層時放出能量，產(chǎn)生特性放射。但因其能量很低，在很近的距離內(nèi)則又被吸收掉。例如，鈣是人體內(nèi)最高原子序數(shù)的元素，它的最大能量的特性光子也只有4kev。這樣小的光子能量，從它的發(fā)生點幾個毫米內(nèi)即可被吸收。但必須注意，常用造影劑碘和鋇，所產(chǎn)生的特性放射，會有足夠的能量離開人體，而使膠片產(chǎn)生灰霧。（3）光電效應產(chǎn)生的條件①光子能量與電子結合能，必須“接近相等”才容易產(chǎn)生光電效應。就是說，光子的能量要稍大于電子的結合能或等于電子的結合能。例如，碘的K層電子結合能為33.2kev，若光子能量為33.0kev，就不能擊脫該層電子。另一方面，一個有34kev能量的光子，又比一個具有100kev能量的光子更容易和碘K層電子發(fā)生作用。這就是說，光子能量的增加，反而會使光電作用的幾率下降。實際上，光電效應大約和能量的三次方成反比。在實際攝影中，我們通過調(diào)整管電壓的數(shù)值就可以達到調(diào)制的目的。②軌道電子結合得越緊越容易產(chǎn)生光電效應。高原子序數(shù)元素比低原子序數(shù)元素的軌道電子結合的緊。在低原子序數(shù)元素中，光電效應都產(chǎn)生在K層，因為這一類元素只有K層電子結合的比較緊。對高原子序數(shù)的元素，光子能量不足以擊脫它的K層電子，光電效應常發(fā)生在L層、M層，因為這兩層軌道電子結合的都比較緊，容易產(chǎn)生光電效應。所以說，光電效應的幾率，隨原子序數(shù)的增高而很快增加。其發(fā)生幾率和原子序數(shù)的三次方成正比。光電效應≈(原子序數(shù))3。它說明攝影中的3個實際問題：不同密度物質(zhì)的影像，所以能產(chǎn)生明顯對比影像的原因；密度的變化可明顯影響到攝影條件；要根據(jù)不同密度的物質(zhì)，選擇適當?shù)纳渚€能量。（4）光電效應在X線攝影中的實際意義①光電效應不產(chǎn)生有效的散射，對膠片不產(chǎn)生灰霧。②光電效應可增加射線對比度。X線影像的對比，產(chǎn)生于不同組織的吸收差異，這種吸收差別愈大，則對比度愈高。因為，光電效應的幾率和原子序數(shù)的三次方成正比。所以，光電效應可擴大不同元素所構成的組織的影像對比。例如，肌肉和脂肪間的對比度很小，如果選用低kVp攝影，就可以利用肌肉和脂肪在光電效應中所產(chǎn)生的較大吸收差別來獲得影像。③光電效應中，因光子的能量全部被吸收，這就使患者接受的照射量比任何其他作用都多。為了減少對患者的照射，在適當?shù)那闆r下，要采用高能量的射線。3．康普頓效應康普頓效應也稱散射效應或康普頓散射。它是X線診斷能量范圍內(nèi)，X線與物質(zhì)相互作用的另一種主要形式。當一個光子在擊脫原子外層軌道上的電子時，入射光子就被偏轉以新的方向散射出去，成為散射光子。而被擊脫的電子從原子中以與入射光子方向呈φ角方向射出，成為反沖電子。其間X線光子的能量一部分作為反跳電子的動能，而絕大部分是作為光子散射。一個光子被偏轉以后，能保留多大能量，由它的原始能量和偏轉的角度來決定。偏轉的角度愈大，能量的損失就愈多。散射光子的方向是任意的，光子的能量愈大，它的偏轉角度就愈小。但是，低能量的光子，在散射效應中，向后散射的多。在X線攝影所用能量(40~150kVp)范圍內(nèi)，散射光子仍保留大部分能量，而只有很少的能量傳給電子。在攝影中所遇到的散射線，幾乎都是來自這種散射。因為，散射吸收是光子和物質(zhì)相互作用中的主要形式之一。所以，在實際工作中無法避免散射線的產(chǎn)生，而只能想辦法消除或減少它的影響。4．電子對效應與光核反應電子對效應與光核反應，在診斷X線能量范圍內(nèi)不會產(chǎn)生。因為電子對效應產(chǎn)生所需要的光子能量是1.02MeV，而光核反應所需光子能量要求在7MeV以上。所以，這兩種作用形式對X線攝影無實際意義。5．相互作用效應產(chǎn)生的幾率在診斷X線能量范圍內(nèi)，相干散射占5％，光電效應占70％，康普頓效應占25％。①對低能量射線和高原子序數(shù)的物質(zhì)，光電效應是主要的，它不產(chǎn)生有效的散射，對膠片不產(chǎn)生灰霧，因而可產(chǎn)生高對比度的X線影像。但會增加被檢者的X線接收劑量。②散射效應是X線和人體組織之間最常發(fā)生的一種作用，幾乎所有散射線都是由此產(chǎn)生的。它可使影像質(zhì)量下降，嚴重時可使我們看不到影像的存在。但它與光電效應相比可減少患者的照射量。③它們之間的相互比率將隨能量、物質(zhì)原子序數(shù)等因素的改變而變化。就人體而言，脂肪和肌肉的原子序數(shù)要低于骨骼。常用造影劑碘和鋇屬于高原子序數(shù)的元素。脂肪和肌肉除在很低的光子能量而外，散射作用是主