《放射物理与防护》教学ppt课件：4第四章1：X线与物质的相互作用.ppt

第四章第四章 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用潞河医院放射科潞河医院放射科 王珍琦王珍琦第一节第一节 概述概述组成组成X射线的粒子统称为光子，光子自身不射线的粒子统称为光子，光子自身不带电X（或（或）射线都是电磁波射线都是电磁波X和和在电磁辐射能谱中所占范围基本相同，在电磁辐射能谱中所占范围基本相同，仅仅是来源不同仅仅是来源不同射线是从原子核衰变中射线是从原子核衰变中放射出来的，而放射出来的，而X线则是高速电子与物质核线则是高速电子与物质核外电子相互作用的结果外电子相互作用的结果第一节第一节 概述概述研究射线通过物质时与物质发生相互作用，研究射线通过物质时与物质发生相互作用，可以了解射线的性质、射线产生的物理过可以了解射线的性质、射线产生的物理过程及射线对物质的影响程及射线对物质的影响也是进行射线探测、防护和应用的重要基也是进行射线探测、防护和应用的重要基础第一节第一节 概述概述X线通过物质时，小部分从物质的原子间线通过物质时，小部分从物质的原子间隙中穿过，大部分被吸收和散射，从而产隙中穿过，大部分被吸收和散射，从而产生各种的物理的、化学的及生物的效应生各种的物理的、化学的及生物的效应。

这些效应的产生都是物质吸收这些效应的产生都是物质吸收X线能的结线能的结果第一节第一节 概述概述下图示：下图示：X线光子进入生物组织后，光子能线光子进入生物组织后，光子能量在其中的转移、吸收乃至最终引起生物量在其中的转移、吸收乃至最终引起生物效应的大概过程效应的大概过程光子光子 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 高速电子高速电子韧致辐射韧致辐射 电离电离 激发激发 热热 物化阶段物化阶段 生化阶段生化阶段 生物损伤生物损伤X X线光子进线光子进入生物组织入生物组织电子沿径迹电子沿径迹损失能量损失能量第一节第一节 概述概述一、一、X线与物质相互作用的几率线与物质相互作用的几率由于入射光子与物质中的粒子（也称靶粒由于入射光子与物质中的粒子（也称靶粒子子、靶核）相互作用，可以认为一个入射、靶核）相互作用，可以认为一个入射光子与靶粒子发生相互作用，这个入射光光子与靶粒子发生相互作用，这个入射光子或者消失，或者偏离原来的运动方向，子或者消失，或者偏离原来的运动方向，造成出射线束强度的减弱造成出射线束强度的减弱第一节第一节 概述概述常被称为作用几率常被称为作用几率 =NB/N它表示射线通过物质层面它表示射线通过物质层面x时，一个入射时，一个入射光子与物质中光子与物质中NB个靶核相互作用的几率（个靶核相互作用的几率（N表示入射光子数）。

显然，作用几率表示入射光子数）显然，作用几率与射与射线通过物质上的靶粒子数线通过物质上的靶粒子数NB成正比第一节第一节 概述概述作用几率作用几率也可用入射束通过物质前后的强也可用入射束通过物质前后的强度变化来表示度变化来表示I0I/I0=I/I0：作用几率；：作用几率；I0：入射强度；：入射强度；I：出射时的强度出射时的强度因入射光子通过物质时将与物质粒子发生因入射光子通过物质时将与物质粒子发生相互作用，使出射束的强度减弱相互作用，使出射束的强度减弱II0第一节第一节 概述概述二、射线的衰减二、射线的衰减一）一）.线衰减系数线衰减系数是让光子束入射到厚度可变的物体上，探是让光子束入射到厚度可变的物体上，探测器放在距射线源测器放在距射线源固定的距离固定的距离上此距离要保证在探测器上仅能测到原始光子（穿过吸收此距离要保证在探测器上仅能测到原始光子（穿过吸收体没有发生相互作用的光子），由吸收体产生的散射光体没有发生相互作用的光子），由吸收体产生的散射光子在这种安排中假定探测不到子在这种安排中假定探测不到第一节第一节 概述概述入射光子束入射光子束厚度厚度散射光子散射光子散射光子散射光子探测器探测器衰减后的原射线衰减后的原射线靶物质靶物质单能平行射线光子束被物质衰减示意图单能平行射线光子束被物质衰减示意图第一节第一节 概述概述 当当X线通过物体时，射线不是被吸收就线通过物体时，射线不是被吸收就被散射，此现象称为被散射，此现象称为X线衰减或减弱。

线衰减或减弱第一节第一节 概述概述是比例常数，称为线衰减系数是比例常数，称为线衰减系数与物质发生相互作用的光子数；：与物质发生相互作用的光子数；：吸收体的厚度；：吸收体的厚度；：入射光子数入射光子数负号表示随吸收体厚度的增加光子数减少）（负号表示随吸收体厚度的增加光子数减少）第一节第一节 概述概述因为每秒钟通过单位面积的光子数决定因为每秒钟通过单位面积的光子数决定X线线的强度，故而的强度，故而 -可见，可见，线衰减系数线衰减系数还可理解为，当还可理解为，当X线穿线穿过单位厚度的物质层时，其强度衰减的分过单位厚度的物质层时，其强度衰减的分数值第一节第一节 概述概述 表示表示X射线光子与每单位厚度物质发射线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，生相互作用的概率，称为线性衰减系数，单位是单位是m-1或或cm-1第一节第一节 概述概述射线通过物质的衰减是由三种主要相互作射线通过物质的衰减是由三种主要相互作用造成的，因此，总的衰减系数应近似等用造成的，因此，总的衰减系数应近似等于各主要过程的线衰减系数之和于各主要过程的线衰减系数之和为光电线衰减系数为光电线衰减系数 为康普顿线衰减系数为康普顿线衰减系数 为电子对线衰减系数为电子对线衰减系数第一节第一节 概述概述二）二）.质量衰减系数质量衰减系数由于与吸收物质的密度成正比，而密度又由于与吸收物质的密度成正比，而密度又随材料的物理形态而变化，为了避开这种随材料的物理形态而变化，为了避开这种与物质密度的相关性而便于应用，通常还与物质密度的相关性而便于应用，通常还采用质量衰减系数。

采用质量衰减系数m=第一节第一节 概述概述的优点是：它的数值与物质密度的优点是：它的数值与物质密度无关，无关，也就是与物质的物理形态无关也就是与物质的物理形态无关例如：水、冰、水蒸气，虽然它们的密度例如：水、冰、水蒸气，虽然它们的密度和物理形态不同，但都是由水分子组成，和物理形态不同，但都是由水分子组成，其质量衰减系数其质量衰减系数相同第一节第一节 概述概述 质量衰减系数质量衰减系数表示线在穿过单位表示线在穿过单位质量厚度（质量厚度（kg*m-2）的物质层时，强度）的物质层时，强度衰减的分数值衰减的分数值的单位是的单位是m2kg-1或或cm2g-1，两者的换算，两者的换算关系是关系是1m2kg-1=10cm2g-1第一节第一节 概述概述总的质量衰减系数应近似等于各主要过程总的质量衰减系数应近似等于各主要过程的质量衰减系数之和：的质量衰减系数之和：mmmm m为光电质量衰减系数为光电质量衰减系数 m为康普顿质量衰减系数为康普顿质量衰减系数 m为电子对质量衰减系数为电子对质量衰减系数第一节第一节 概述概述三、能量转移和吸收三、能量转移和吸收一）一）.能量转移系数能量转移系数1.线能量转移系数线能量转移系数2.质能转移系数质能转移系数第一节第一节 概述概述1.线能量转移系数线能量转移系数在在X线与物质相互作用的三种主要过程中，线与物质相互作用的三种主要过程中，X线光子的能量有一部分转化为电子的动线光子的能量有一部分转化为电子的动能，而另外一部分则被一些次级光子所带能，而另外一部分则被一些次级光子所带走，也就是说：走，也就是说：第一节第一节 概述概述 =tr+s tr为为X线光子能量的电子转移部分；线光子能量的电子转移部分；s为为X线光子能量的辐射转移部分。

线光子能量的辐射转移部分第一节第一节 概述概述显然，显然，X线能量的电子转移部分应等于：线能量的电子转移部分应等于：tr=trtrtrtr称为线能量转移系数，它表示称为线能量转移系数，它表示X线在物质线在物质中穿过长度距离时，由于各种相互作用，其中穿过长度距离时，由于各种相互作用，其能量转移给电子的动能占总能量的份额能量转移给电子的动能占总能量的份额第一节第一节 概述概述tr:线能量转移系数线能量转移系数tr,tr,tr分别为光电效应、康普顿效应和分别为光电效应、康普顿效应和电子对效应过程中能量转移为电子能量的线电子对效应过程中能量转移为电子能量的线能量转移系数能量转移系数第一节第一节 概述概述2.质能转移系数质能转移系数和线性衰减系数一样，和线性衰减系数一样，tr也近似正比于吸也近似正比于吸收物质的密度收物质的密度，而，而随物质的物理状态变随物质的物理状态变化为避开同物质密度的相关性，常引入质能为避开同物质密度的相关性，常引入质能转移常数转移常数tr/第一节第一节 概述概述质能转移常数质能转移常数tr/表示，在物质中穿过质表示，在物质中穿过质量厚度为量厚度为1kg*m-2时，因相互作用其能量转时，因相互作用其能量转移给电子的份额。

移给电子的份额第一节第一节 概述概述二）二）.能量吸收系数能量吸收系数 1.线能量吸收系数线能量吸收系数 2.质能吸收系数质能吸收系数第二节第二节 X线与物质相互作用线与物质相互作用的主要过程的主要过程一、光电效应一、光电效应 光电效应又称光电吸收，它是光电效应又称光电吸收，它是X线光子线光子被原子全部吸收的作用过程被原子全部吸收的作用过程X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应一）、光电效应的产生一）、光电效应的产生当一个能量为当一个能量为hv的光子通过物质时，它与的光子通过物质时，它与原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生相互作用，把全部能量传递给这个电子，相互作用，把全部能量传递给这个电子，而光子本身则整个被原子吸收，获得能量而光子本身则整个被原子吸收，获得能量的电子摆脱原子的束缚以速度的电子摆脱原子的束缚以速度v而自由运动，而自由运动，这种电子称为光电子，这种现象称为这种电子称为光电子，这种现象称为光电光电效应效应X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应K L M N hvhv光子光子跃迁跃迁特征辐射特征辐射光电子光电子Ee=hv-EB光电效应光电效应X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应放出光电子的原子变为正离子，原子处于放出光电子的原子变为正离子，原子处于激发态，其电子空位很快被外层电子跃入激发态，其电子空位很快被外层电子跃入填充，同时放出特征填充，同时放出特征X线。

线有时，特征有时，特征X线离开原子前，有击出外层的线离开原子前，有击出外层的轨道电子，即轨道电子，即“俄歇电子俄歇电子”X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应光电效应的实质：是物质吸收光电效应的实质：是物质吸收X线使其产生线使其产生电离的过程电离的过程在此过程中将产生的次级粒子有：光电子、在此过程中将产生的次级粒子有：光电子、正离子（产生光电子的原子）、新的光子正离子（产生光电子的原子）、新的光子（特征辐射光子）、俄歇电子特征辐射光子）、俄歇电子X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应二）、光电效应的发生几率二）、光电效应的发生几率光电质量衰减系数的表达式为：光电质量衰减系数的表达式为：m=c1/AZ44 A是原子量；是原子量；Z是物质的原子序数；是物质的原子序数；C1是一个常数；是一个常数；是入射线的波长是入射线的波长X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应光电效应的发生几率受以下几个方面的影光电效应的发生几率受以下几个方面的影响：响：1.物质原子序数的影响物质原子序数的影响 2.入射光子能量的影响入射光子能量的影响 3.原子边界限吸收的影响原子边界限吸收的影响X线与物质相互作用线与物质相互作用-光电效应光电效应1.物质原子序数的影响物质原子序数的影响与物质原子序数的与物质原子序数的4次方成正比，即次方成正比，即 光电效应几率光电效应几率Z4 物质的原子序数越高，光电效应发生的几物。