放射防护课件5.X线与物质的相互作用.ppt

1,X(或)射线与物质的相互作用,2,原子的核外电子因与外界相互作用获得足够的能量，挣脱原子核对它的束缚，造成原子的电离。 电离是由具有足够动能的带电粒子，如电子、质子、粒子，与原子中的电子碰撞引起的。 原子的核外电子受原子核的束缚不同，带电粒子必须具有不小于原子核外壳层电子的束缚能量，才能使物质的原子电离。,3,不带电粒子，如光子、中子等，本身不能使物质电离，但借助它们与原子的壳层电子或原子核作用产生的次级粒子，如电子、反冲核等，随后在与物质中的原子作用，引起原子的电离。 由带电粒子通过碰撞直接引起物质的原子或分子的电离称为直接电离，这些带电粒子称为直接电离粒子。 不带电粒子通过它们与物质相互作用产生的带电粒子引起原子的电离，称为间接电离。这些不带电粒子称为间接电离粒子。,4,由直接电离粒子或间接电离粒子、或两者混合组成的辐射成为电离辐射。 另外，有些辐射如红外线、可见光、微波等电磁波以及低能粒子，由于其能量低，不能引起物质原子的电离，成为非电离辐射。,5,辐射的类型,Directly ionizing radiation electrons protons -particles other heavy charged particle Indirectly ionizing radiation uncharged particles such as neutron and photons,6,电离辐射与物质的相互作用是X射线成像的物理基础和电离辐射剂量学的基础。,7,带电粒子与物质的相互作用的主要方式,具有一定能量的带电粒子入射到靶物质中，与物质原子发生作用，作用的主要方式有 与核外电子发生非弹性碰撞； 与原子核发生非弹性碰撞； 与原子核发生弹性碰撞； 与原子核发生核反应。,8,9,X线与物质的相互作用,X线与物质的作用都是和原子发生作用。X线在物质中可引起物理的、化学的和生物的各种效应。 当X光子进入生物组织后，与体内某个电子相互作用，形成高速电子和散射线。 高速电子通过组织时，与原子相互作用，使其电离或激发，产生化学变化和生物损伤；在被吸收的能量中，97的转变为热能，3%的能量以引起化学变化的形式积蓄起来。,10,X线与物质的相互作用,高速电子还可以发生辐射性碰撞而产生韧致辐射，韧致辐射线与散射线又象原射线一样继续与物质的原子作用。 平均30次左右的相互作用，一个入射光子的全部能量都转移给电子。 X光子进入生物组织后，光子能量在其中转移、吸收，最终引起生物效应。,11,X线与物质的相互作用,X线在物质中可能与原子的电子、原子核、带电粒子的电场以及原子核的介子场发生相互作用，作用的结果可能发生光子的吸收、弹性散射和非弹性散射。 吸收时光子的能量全部变为其他形式的能量； 弹性散射仅改变辐射的传播方向， 非弹性散射改变辐射的方向，也部分地吸收光子的能量。,12,X射线与物质的相互作用,X射线与物质相互作用的主要过程包括： 光电效应 (photoelectric effect) 康普顿效应(Compton effect) 电子对效应(electronic pair effect） 三种主要过程损失能量的绝大部分。其他次要过程有相干散射、光核反应等。,13,总结,hv Ei 康普敦效应 hv 2mec2 电子对效应 hv 很高 光核反应 总质量减弱系数,14,吸收和散射,入射X线,直接透过,光电吸收,电子对效应,散射,光电子,俄歇电子,特征放射,康普顿散射,相干散射,散射光子,反冲电子,正电子、电子,湮灭辐射光子,15,总结,16,总结,在0.0110MeV范围内，产生光电效应、康普顿效应和电子对效应三个基本过程。 在光子能量较低时,除低Z以外的所有元素都以光电效应为主。 光子能量在0.84MeV时，无论Z多大，康普顿效应都占主导地位。 大的h处电子对效应占优势。图中的曲线表示两种相邻效应正好相等处的Z和h值。 在20100keV的诊断X线范围内，光电效应和康普顿效应是重要的，相干散射不占主要地位，电子对效应不可能发生。,17,总结,水、致密骨和NaI对20100keV的光子能量所发生的各种作用的百分数。,18,诊断放射学中作用几率与有效原子序数和能量的关系,19,总结,用水来说明低Z组织的情况，如空气、脂肪和肌肉。 致密骨含有大量钙质，代表中等Z的物质。 相干散射仅占5%左右。 水中除低能光子外，康普顿散射是主要的。 NaI的Z高，主要是光电作用。 骨介于水和NaI之间，低能时主要是光电作用，较高能量时康普顿散射是主要的。,20,总结,对Z较低的软组织，在射线能量很低时光电效应为主；放射摄影中常用钼靶X线机产生的低能X线摄片，是为了增加光电效应的几率使照片的对比度提高。 低能光子对高Z吸收物质，光电效应是主要作用形式，它能使照片产生很好对比度，但会增加被检者的X线剂量。 康普顿效应是X线在人体内最常发生的作用，是X线诊断中散射线的最主要来源。散射线增加了照片的灰雾，降低了对比度，但它与光电效应相比使被检者的受照剂量较低。,21,22,光电效应,光电效应的概念 发生几率 光电效应中的特征辐射 光电子的角分布 如何评价诊断放射学中的光电效应,23,1.光电效应概念,能量为h的光子通过物质时与原子的内层电子相互作用，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(光电子)，光子本身被原子吸收的作用过程称为光电效应。,24,1.光电效应概念,放出光电子的原子所处的状态是不稳定的，其电子空位很快被外层电子跃入填充，随即发出特征X线光子。特征X线在离开原子之前，又将外层电子击脱，称为“俄歇电子”。 在人体组织中特征X射线和俄歇电子的能量低于0.5keV，这些低能光子和电子很快被周围组织吸收。,25,1.光电效应概念,光电效应的实质是什么呢？ 物质吸收X射线使其产生电离的过程。 由能量守恒定律知，发生光电效应时，入射X射线光子能量h和光电子的动能Ee满足关系：,式中EB为原子第i层电子的结合能，与原子序数和壳层数有关。,26,例题：,用能量为5eV的光子照射某种金属，产生的光电子的最大初动能为2.3eV，用能量为10eV的光子照射该金属，产生的光电子的最大初动能为多大?,27,1.光电效应概念,光电效应产生： 负离子 (光电子、俄歇电子)； 正离子 (丢失电子的原子)； 新的光子 （特征辐射）,28,2.发生几率,入射光子必须有克服轨道电子结合能的足够能量。碘的K电子结合能33.2keV，若光子能量是33keV，就不能击脱该电子，但可击脱M或L层电子。 光子能量电子结合能容易发生光电效应。如一个34keV的光子比100keV的光子更容易与碘的K层电子发生作用。光子能量愈大光电效应的发生几率迅速减小。,29,2.发生几率,轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈容易发生光电效应。 高Z物质，轨道电子的结合能较大，不仅K层而且其它壳层上的电子也较容易发生光电效应。 低Z物质，只有K电子结合能较大，所以光电效应几乎都发生在K层。,30,2.发生几率,由原子的内层脱出光电子的几率比由外层脱出光电子的几率要大得多。若入射光子的能量大于K电子结合能，则光电效应发生在K层的几率占80，比L层高出45倍。,31,2发生几率,若X射线光子通过单位距离的吸收物质时，因光电效应而导致的衰减称为光电线性衰减系数，用符号“”表示；而光电质量衰减系数，用符号“/”表示。 实验和理论都准确地证明光电质量衰减系数与原子序数、光子能量之间的关系可表示为：,式中n是原子序数的函数，对低原子序数材料n近似取4，对高原子序数材料n近似取4.8,32,吸收限,33,2发生几率,光电效应的概率在光子能量等于K、L、M电子结合能时发生突然的跳变，概率最大。 光电效应的概率特别大的地方称为吸收限。,34,3光电效应中的特征辐射,X线管中击脱轨道电子的是阴极飞来的高速电子， 光电效应中是X线光子，结果是造成电子空位，产生特征辐射。,35,3光电效应中的特征辐射,X线光子把碘的K电子击脱，造成一个K空位时，一般情况下都是邻近壳层的电子跃入填充其空位。 L电子跃入填充时产生能量为28.3keV的光子辐射(33.24.928.3keV)； L空位由M电子跃入填充时放出一个4.3keV能量的光子(4.90.64.3keV)，一直继续下去，直到33.2keV的能量全部转换为光能为止。 K空位也可由外来的自由电子落入填充，这时将放出一个33.2keV的光子，这是碘的最大能量的特征辐射。,36,3光电效应中的特征辐射,Ca是人体内Z最高的主要元素，它的K特征辐射只有4 keV，远小于X线光子能量，在其发生后点几毫米之内就被吸收了。 人体内其它元素的特征辐射的能量更小(0.5 keV)。 人体各组织由X线照射所产生光电效应的特征辐射将全被组织吸收。,37,4光电子的角分布,单位立体角内放出的光电子的角度分布由下式决定 ： 式中，是X射线光子的入射方向与光电子出射之夹角； 是光电子速度与光速之比。,38,39,4光电子的角分布,光电子的角分布与光子的能量有关，当光子能量很低时，光电子与入射方向成90°角射出的几率最大。 随着光子能量的增加，光电子的分布逐渐倾向于前方（入射方向）。,40,5诊断放射学中的光电效应,诊断放射学中的光电效应，可从利弊两个方面进行评价。 光电效应能产生质量好的照片影像，原因： 不产生散射线，减少照片的灰雾； 增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别，产生高对比度的X射线照片。 有害的方面是，入射X射线通过光电效应可全部被人体吸收，增加了受检者的剂量。,41,5诊断放射学中的光电效应,从被检者接收X射线剂量看光电效应是很有害的。 被检者从光电效应中接收的X线剂量比其他任何作用都多。一个入射光子的能量通过光电作用全部被人体吸收，在康普顿散射中被检者只吸收入射光子能量的一小部分。 从全面质量管理观点讲，应尽量减少每次X射线检查的剂量。,42,5诊断放射学中的光电效应,为此，应设法减少光电效应的发生。 由于光电效应发生概率与光子能量3次方成反比，利用这个特性在实际工作中采用高千伏摄影技术，从而达到降低剂量的目的。 不过，在乳腺X射线摄影中，要注意平衡对比度和剂量之间的矛盾。,43,二、康普顿效应,作用过程 散射光子及反冲电子 散射光子及反冲电子的角分布 作用几率 诊断放射学中的康普顿效应 发现的意义,44,二、康普顿效应,45,1.作用过程,当能量为h的光子与原子的外层轨道电子相互作用时，光子交给轨道电子部分能量后，其频率发生改变并与入射方向成角散射(康普顿散射光子)，获得足够能量的轨道电子则脱离原子与光子入射方向成角的方向射出(康普顿反冲电子) 。 康普顿发现，简称康普顿效应或康普顿散射。,46,1.作用过程,康普顿效应产生： 反冲电子，反冲角度 散射光子，散射角度，频率,47,2反冲电子及散射光子,只有入射光子能量远远超过电子在原子中的结合能(约10000倍)时，才容易发生康普顿效应。 实际常忽略轨道电子的结合能，把康普顿效应看成是入射光子与自由电子的碰撞。 象两个球的碰撞(入射光子，自由电子)，碰撞时若光子从电子边上擦过，偏转角度很小，反冲电子获得的能量也很小，散射光子保留了绝大部分能量；如果碰撞更直接些，光子的偏转角度增大，损失的能量增多；正向碰撞时，反冲电子获得的能量最多，这时被反向折回的散射光子仍保留一定的能量。,48,2反冲电子及散射光子,49,2反冲电子及散射光子,矢量图表示在康普顿散射中和入射光子方向成不同角度的散射光子与反冲电子能量分配的特性。h为入射光子能量，而h1、h2 为不同角度散射的光子能量。数字1、210标出的矢量是在光子散射时生成反冲电子的动能。 光子可在0180°的整个空间范围内散射，反冲电子飞出的角度不超过90°。,50,2反冲电子及散射光子,散射光子能量和反冲电子动能T ：,51,当偏转角为0 °时，散射光子能量最大，反冲电子动能为零，这表明，在这种情况下，入射X射线光子从电子旁掠过，它的能量没有损失。 当偏转角为180°时，散射光子能量最小，相应地反冲电子动能最大。,52,2反冲电子及散射光子,散射光子的能量随散射角增大而减小，可得出康普顿散射中光子波长的改变为： 表明对于给定的散射角，光子波长的改变与入射光子的能量无关。,53,2反冲电子及散射光子,表2-4 各种偏转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 95,54,2反冲电子及散射光子,从表中数据看出，在康普顿散射中，散射光子仍保留了大部分的能量，传递给反冲电子的能量是很少的。 小角度偏转的光子，几乎仍保留其全部能量。这会产生小角度的散射线不可避免地要到达胶片产生灰雾而降低照片的质量。 原因是散射线的能量大，滤过板不能将它滤除；由于它的偏转角度小，所以也不能用滤线栅把它从有用线束中去掉。,55,例题,若一能量为20keV的光子与物质发生康普顿散射，则反冲电子获得的最大能量是多少？ 事实上当光子的波长改变最大时，转移给电子的能量最大。 当偏转角为180°时，最大改变波长为,56,在180°方向上散射光子的波长为,散射光子的能量为,20keV光子的波长为,57,这样，反冲电子的能量Ek为,通过此题进一步说明了，当低能光子经历康普顿作用时，入射光子的大部分能量被散射光子带走，反冲电子仅获得很少的能量。,58,3散射光子和反冲电子的角分布,康普顿散射光子的角分布，强烈地依赖于入射光子的能量。对0.1MeV的低能光子产生的散射光子对称于90°角分布，随着光子能量的增加，散射光子趋于前方。 从曲线上一点到作用点的距离表示在该方向上散射线的强度。如果以X线的入射方向为轴旋转一周就成为散射线强度的空间分布图。,59,3.康普顿散射光子和反冲电子的角分布,60,3.康普顿散射光子和反冲电子的角分布,61,4.作用几率,实验和理论都可以准确证明康普顿质量衰减系数的表达式为 式中c2=c1N0是另一个常数。,62,4.作用几率,若X射线光子通过单位距离的吸收物质时，因康普顿效应而导致的衰减称为康普顿线性衰减系数，用符号“”表示；而康普顿质量衰减系数，用符号“/”表示。 实验和理论都准确地证明康普顿质量衰减系数与入射光子能量之间的关系可表示为：,63,4.作用几率,随着入射光子的能量的增加，光电效应发生概率下降，康普顿效应发生概率相对提高，在医学影像上的表现是骨骼与软组织的对比度下降。,64,4.作用几率,既然康普顿效应涉及的是吸收物质中的自由电子，那么康普顿效应发生的概率与原子序数Z无关，仅与物质的每克电子数相关。 由于所有物质的每克电子数( )均十分接近 （氢除外），故所有物质康普顿质量衰减系数几乎相同。,65,66,5. 诊断放射学中的康普顿效应,康普顿效应中产生的散射线是辐射防护中必须引起注意的问题。 在X射线诊断中，从受检者身上产生的散射线其能量与原射线相差很少，并且散射线比较对称地分布在整个空间，这个事实必须引起医生和技术人员的重视，并采取相应的防护措施。 另外，散射线增加了照片的灰雾，降低了影像的对比度，但与光电效应相比受检者的剂量较低。,67,6.发现的意义,康普顿效应和光电效应都为光的粒子性提供了令人信服的证据。 然而，康普顿效应比光电效应更前进了一步，因为在解释康普顿效应时不但要考虑能量守恒，还要考虑动量守恒。 这个效应既说明了光的粒子性，也必须承认光的波动性，由此它为光的波粒二象性及德布罗意物质波假说提供了更完全的证据。 康普顿效应宣布于1923年，确证于1926年，1927年即获得诺贝尔物理学奖，说明这一成果影响之大，有人甚至把康普顿效应看成是物理学的转折点之一。,68,三、电子对效应,69,70,三、电子对效应,概念：在原子核场或原子的电子场中，一个入射光子突然消失而转化为一对正、负电子。 正电子与电子的质量相等，所带电量相等，性质相反。正电子与电子一样，在物质中由于电离或激发逐渐耗尽其动能。 慢化的正电子在停止前的一刹那，很快与物质中的自由电子复合，随即向相反方面射出两个能量各为0.511 MeV的光子，这个现象称为湮灭(annihilation)辐射。,71,三、电子对效应,原子核场中产生电子对效应时，入射光子的能量h2m0c2(2m0c2=1.02 MeV)。原子的电子场中，入射光子的能量h4m0c2(4m0c22.04 MeV)。 电子对效应在原子核场中发生的几率，远大于在电子场中发生的几率。 设+、-分别表示正、负电子的动能，得： h2m0c2+- 式中正、负电子的动能不一定相等，其能量是从0到最大值为Eh2mc2的连续能谱。,72,三、电子对效应,若X射线光子通过单位距离的吸收物质时，因电子对效应而导致的衰减称为电子对线性衰减系数，用符号“p”表示；而电子对质量衰减系数，用符号“p/”表示。 实验证明，电子对质量衰减系数与原子序数和光子能量的关系可表示为：,73,三、电子对效应,电子对质量衰减系数与原子序数成正比；当能量较低时，随X射线光子能量线性增加；高能时，随X射线光子能量的变化逐渐变慢。,74,相干散射,相干散射也称为经典散射或瑞利散射。 入射光子和束缚较牢固的内壳层轨道电子发生弹性散射。 在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子跃迁到高能级，随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子，但传播方向发生改变。实际上就是x线的折射。 相干散射是X射线光子与物质相互作用中唯一不产生电离的过程。 在整个诊断X射线的能量范围内都有相干散射产生，不过所占比例很小，对辐射屏蔽的影响不大，但在总的衰减系数计算中要考虑相干散射的贡献。,75,光核反应,所谓光核反应，就是光子与原子核作用而发生的核反应。 这是一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和光子的作用过程。 对不同物质只有当光子能量大于该物质发生核反应的阈能时，光核反应才会发生。其发生率不足主要作用过程的5%。 因此，从入射光子能量被物质所吸收的角度考虑，光核反应并不重要。 但应注意到，某些核素在进行光核反应时，不但产生中子，而且反映的产物是放射性核素。 光核反应在诊断X射线能量范围内不可能发生。在医用电子加速器等高能射线的放疗中发生率也很低。,