X线与物质的相互作用

Ver.1.0 BY FENG DAYU i Ｘ线与物质的相互作用　X 射线通过物质时，小部分从物质原子的间隙中穿过，大部分被吸收和散射，从而产生各种物理的、化学的及生物的效应．这些效应的产生都是物质吸收X 射线能的结果．物质对X 射线的吸收不是简单的能量转移，而是一个很复杂的过程．　X 射线是一种不带电电离辐射，它通过物质时只引起少量的初级电离，而绝大部分电离都是由初级电离产生的带电粒子引起的次级电离．　电离和激发是辐射能传递给物质的主要过程，所谓X 射线的生物效应其实主要是它们的次级电子所产生的生物效应．　下图画出光子能量在生物组织中转移、吸收乃至最终引起生物效应的大概过程．　一．X射线与物质相互作用的主要过程　①　光电效应：　又称光电吸收，它是X射线光子被原子全部吸收的作用过程．　②　康普顿效应：　又称康普顿散射，它是X射线光子能量被部分吸收而产生散射线的过程．　③　电子对效应：　一个具有足够能量的光子，在与靶原子核发生相互作用时，光子突然消失，同时将它的能量转化为正、负两个电子，这个作用过程称为电子对效应．　④　相干散射：　又称瑞利散射．(X线的折射)　⑤　光核作用：　是光子与原子核作用而发生的核反应．　二．X射线在物质中的衰减　 X射线在其传播过程中强度的衰减，包括距离和物质所致衰减两个方面．在以点源为球心，半径不同的各球面上的射线强度，与距离的平方成反比，这一规律称为射线强度衰减的平方反比法则．　１．　单能窄束X射线在物质中的衰减规律　研究表明，　单能窄束X射线通过均匀物质层时，其强度的衰减符合指数规律．即：　 I = I0 e-μx：如射强度，Ｉ：探测强度，ｘ：物质厚度，μ：　衰减系数．　Ｉ０iiVer.1.0 BY FENG DAYUVer.1.0 BY FENG DAYU iii ２．　连续X 射线在物质中的衰减规律　一般情况下，X 线束是由能量连续分布的光子组成的，各能量成份衰减的情况并不一样，并不遵守单一的指数衰减规律，要比单能X 线束更复杂．　３．　影响X 线衰减的因素　①　射线性质对衰减的影响　②　物质原子序数对衰减的影响　③　物质密度对衰减的影响　④　每克电子数对衰减的影响　三．X 线的滤过　１．　固有滤过　X 线管组装体本身的滤过称为固有滤过．它包括X 线管的管壁（出射窗口）、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板．　固有滤过一般都用铝当量表示．　２．　附加滤过　 附加滤过包括用工具可拆卸的附加滤过板、可选择的附加滤过板、遮光器、床面板等．　①　滤过板材料的选择　②　滤过板的厚度　③　滤过板厚度对受照剂量的影响　④　滤过与投照时间　⑤　契型或梯型滤过板　 ３．TOSHIBA　X线设备中X线管球加上遮光器的滤过应大于等于2.5mmAl．如不足应在X线管球输出窗口处加贴滤过板．　四．诊断放射学中Ｘ线的衰减　 X线束射入人体内，一部分被吸收散射，另一部分通过人体沿原方向传播，透过的X线光子按特定形式分布，便形成了X线影像．　透过的光子与衰减的光子具有同等的重要性．X线影像是人体的不同组织对射线不同衰减的结果．　 人体骨骼由胶体蛋白和钙质组成，其中钙质占50%-60%；　软组织内水占75%，蛋白质、质肪及碳水化合物占23%，其余2%是K、Na、Cl、Fe等元素．　 人体内除少量的钙、磷等中等原子序数的物质外，其余全由低原子序数物质组成．人体吸收X射线最多的是由Ca(PO4)2组成的门牙，吸3收Ｘ射线最少的是充满气体的肺．　 人体各组织器官的密度、有效原子序数和厚度不同，对X射线的衰减程度各异，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大变小．　X射线在人体内，主要通过光电效应和康普顿效应两种作用形式被衰减．　ivVer.1.0 BY FENG DAYU下图是不同能量的X射线在肌肉和骨骼中分别发生两种效应的比例．　vVer.1.0 BY FENG DAYU。

X射线与物质的相互作用X射线是一种高能电磁波，具有较短的波长和较高的频率。

当X射线入射到物质上时，它与物质中的原子相互作用，主要有光电效应、康普顿散射和正电子湮灭三种。

首先，光电效应是指当X射线入射到物质中的原子内层电子上时，电子被光子击中后被激发或抛射出原子。

这个过程遵循能量守恒定律，即入射X射线的能量等于光电子的能量加上剩余能量。

光电效应的主要特点是能量转移效率高，但是能量分辨率较差，不适用于微细结构的研究。

其次，康普顿散射是X射线与物质中的自由电子碰撞后散射出去，同时X射线的波长发生了变化。

这个过程遵循动量守恒和能量守恒定律。

康普顿散射在医学诊断中得到了广泛应用，因为它具有良好的能量分辨率和较高的对比度。

最后，正电子湮灭是指当X射线入射到物质中时，一部分入射X射线与物质中的原子碰撞，产生正电子和负电子。

正电子与负电子相遇后发生湮灭，产生两个γ光子。

正电子湮灭谱是通过测量X射线与物质的相互作用，得到信息的有效方法。

除此之外，X射线还会与物质产生其他的相互作用，如光子发射、光子吸收、光子和原子核相互作用等。

这些相互作用过程是多种多样的，可以通过测量入射和散射X射线的强度、能量变化以及角分布来研究物质的结构、成分等信息。

在医学方面，X射线的应用非常广泛。

例如，X射线透视可以用于骨骼和丰富因子的成像，可以用于检查骨折、肺部感染、心脏病等疾病。

另外，计算机断层扫描（CT）是一种通过多个方向的X射线扫描来获取物体横截面图像的技术，可以用于检测和诊断肿瘤、脑血栓等疾病。

在工业领域，X射线也得到了广泛的应用。

例如，X射线非破坏性检测可以用于检测金属和非金属材料的缺陷，如焊缝、裂纹等。

此外，X射线衍射可以用于材料的结晶结构分析，用于研究材料的晶体结构和晶体缺陷。

总之，X射线与物质的相互作用是一种重要的物理现象，具有广泛的应用领域。

通过研究X射线与物质的相互作用机制，可以获得物质的结构、成分等信息，为医学诊断、工业检测等领域提供技术支持。

第三章第二节 X线的本质及其与物质的相互作用1、X线属于电离辐射，其波长介于紫外线和γ射线之间，波长很短，约在10-3～10nm之间。

2、X线与可见光一样，具有衍射、偏振、反射、折射等现象，说明X线具有波动性。

它是一种横波，传播速度在真空中与光速相同。

3、X线在传播时，突出地表现了它的波动性，并有干涉、衍射等现象；X线与物质相互作用时，则突出表现了它的粒子特征，具有能量、质量和动量。

X线具有波粒二象性。

4、X线光子只有运动质量，没有静止质量。

5、X线在真空中，是直线传播的不可见电磁波。

6、X线不带电，它不受外界磁场或电场的影响。

7、X线的物理特性：穿透性、荧光作用、电离作用、热作用。

8、X线能量高则穿透力强。

9、X线的电离作用主要是它的次级电子的电离作用。

10、测定X线吸收剂量的量热法就是依据热作用研究出来的。

11、X线的化学特性：感光作用、着色作用（脱水作用）。

12、生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量X线照射后，可发生抑制、损伤甚至坏死。

13、X线的生物效应是放射治疗的基础。

14、X线光子与构成原子的内壳层轨道电子碰撞时，将其全部能量都传递给原子的壳层电子，原子中获得能量的电子摆脱原子核的束缚，成为自由电子（光电子），而X线光子则被物质的原子吸收，这种现象称为光电效应。

失去电子的原子变成正离子，处于激发态不稳定，外层电子填充空位，放出特征X线，特征X线离开原子前，又击出外层轨道电子，使之成为俄歇电子，这个现象称为俄歇效应。

15、光电效应的产物有：光电子、正离子、特征放射和俄歇电子。

16、入射光子的能量与轨道电子结合能必须“接近相等”（稍大于）才容易产生光电效应。

光子能量过大，反而会使光电效应的概率下降。

17、光电效应发生概率大约和能量的三次方成反比。

18、光电效应发生概率和原子序数的四次方成正比（这里其实是错的，应该是三次方，但是我们职称考试还是以这个错误为准），它说明摄影中的三个实际问题：（1）不同密度的物质能产生明显的对比影像；（2）密度的变化可明显地影响到摄影条件；（3）要根据不同密度的物质选择适当的射线能量。

第三节 X 射线与物质相互作用我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透 射光电效应等一、X 射线的散射X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使 X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。

X 射线的散射现象可分为相干散射和非 相干散射。

1、相干散射及散射强度当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被 迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射 X 射线波长相同的散 射X 射线，称为经典散射。

由于散射波与入射波的频率或波长相同，位 相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。

按动力学理论，一个质量为 m 的电子，在与入射线呈29角度方向 上距离为R处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为：2(1 cos 2v2它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射 称为极化因子或偏振因子。

它是由入射波非偏振化引起的从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。

可见相干散射是X射线衍射技术的基础。

2、非相干散射 当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性 碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿 散射l e =| 0 4 e 2~2 4 R m C 因子l e =l 0 7.9 10 ^6 R 2(1 cos 2 2^ 2这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底， 给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。

二、 X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是 X 射线射线光子数的减少，而不是 X 射线能量的减少。

所以，透射 X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。

X 射线与物质相互作用，实质上是 X 射线与原子的相互作用，其基本原理 是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的 X 射线易穿过 物质，长波长X 射线易被物质吸收。