X射线的产生、光电效应及其康普顿效应

光电效应与康普顿效应的区别光电效应与康普顿效应是物理学领域两种重要的现象，它们都涉及到光与物质的相互作用。

本文将详细讨论光电效应与康普顿效应的区别，并解释它们的原理、实验结果以及在实际应用中的重要性。

光电效应是指当一束光照射到金属表面时，如果光的频率大于或等于金属的功函数，即从金属表面将有电子被逸出。

这一效应在1905年由爱因斯坦提出，并为他赢得了诺贝尔物理学奖。

光电效应表明了光可以作为粒子（光子）来描述，且每个光子具有确定的能量。

根据经典电磁理论，当光照射到金属表面时，光的能量应该被均匀地传递给金属晶格中的电子，然后电子通过热激励被逸出。

然而实验观察到，只有当光的频率大于某个临界频率时，才会发生电流的流动。

这与光的频率无关，而与光的强度有关。

根据经典电磁理论，这是无法解释的。

为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光的粒子性理论，即光的能量以离散的方式传递给金属表面的电子，而不是以连续的方式。

当光子的能量大于金属的功函数时，能量差将被转化为电子的运动能量，电子被逸出。

由此可见，光电效应是一种粒子-物质相互作用的过程。

与之相比，康普顿效应是光与物质中的自由电子相互作用的现象。

康普顿效应通过散射光子研究了光的波粒二象性。

当X射线或伽马射线与物质中的电子碰撞时，光子的能量部分被电子吸收，并导致电子获得动能。

根据经典波动理论，散射光子的波长应与入射光子的波长相等，而不应该发生波长的移动。

然而实验观察到，入射光子的波长会发生变化，并且变化的波长与散射角度有关，而与入射光子的能量无关。

这一现象表明光也具有粒子性的特征，光的粒子被称为光子。

康普顿效应的理论解释是基于相对论和量子力学的。

根据康普顿散射定律，入射光子与电子的相互作用结果是光子被散射，其动量和能量发生变化。

根据相对论关系式和能量守恒定律，可以推导出康普顿散射公式，即散射光子的波长变化与散射角度和光子的初始波长有关。

康普顿效应表明光是以粒子的形式通过物质传播的，且光子具有动量和能量。

光电效应与康普顿散射
光电效应（Photoelectric Effect）和康普顿散射（Compton Scattering）都是与光子相互作用的现象，具有重要的物理意义。

光电效应是指当光子与物质相互作用时，光子能量被传递给物质的
电子，使其从原子或分子中被轰出。

此时，光子被完全吸收，被轰出
的电子被称为光电子。

光电效应的关键观察结果是，只有当光子的能
量高于一定阈值（即所谓的逸出功）时，光电子才能被产生。

此外，
光电子的动能与光子的能量有关，而与光子的强度无关。

这一现象的
解释成为爱因斯坦的光量子说，奠定了光的粒子性（光子）的基础。

康普顿散射是指当X射线或光子与物质中的电子相互作用时，光子
与电子发生散射，并改变其能量和方向的过程。

在康普顿散射中，光
子与电子之间发生弹性碰撞，部分动能和动量被传递给电子，在散射
过程中，光子的波长发生增加，能量减小。

康普顿散射的关键观察结
果是，散射光子的能量和角度的变化与入射光子的能量有关，而与物
质的性质无关。

这一现象的解释成为康普顿效应的基础，同时也为量
子力学的发展提供了重要的实验证据。

总结起来，光电效应和康普顿散射都是光子与物质相互作用的现象，但是光电效应主要涉及光子与物质中的电子之间的相互作用，而康普
顿散射涉及光子与自由或束缚电子之间的相互作用。

两个现象都为我
们理解光的粒子性和量子力学的基本原理提供了重要的实验依据。

2020/11/29
2.康普顿效应的实验事实与公式推导
• 2.1实验事实 • 当频率的光场入射时，其振动的电场分量将迫使电子在电场
振荡方向发生振荡，电子的受迫振荡将辐射出频率的辐射， 其中。经典理论预言，散射电磁波的频率与电子入射频率的 作用时间，以及辐射强度有关。 然而康普顿的实验结果表明，散射电磁波的频率与入射X射 线的强度及曝光时间完全相关，仅与散射角度无关。经典图 像失效！ • 用量子物理来解释：光子的粒子特性使康普顿效应的解释变 得非常直接。X射线光子的部分能量通过碰撞给予了电子， 因此，散射的光子频率降低。
间没有外加电场，有光电子具有足够的动能从阴极飞到阳极，从而形
成光电流；只有当加一个反向电压，并且足够大以至于等于-时，就
是那些具有最大初动能的光电子，也必须将其初动能全部用于克服外
电场力做功，从而在外电场的作用下刚刚到达阳极，就返回阴极，使
其在回路中不形成光电流。
2020/11/29
历史意义
康
普 顿
光电效应康普顿效应两者区别现代应用1爱因斯坦对光电效应的理论解释2光电效应的实验验证11经典理论的困难12爱因斯坦光量子假说21光电效应的实验原理22光电效应的实验规律应效电光2018101411经典理论的困难?经典物理学认为光强越大饱和电流应该越大光电子的初动能也越大
光电效应与康普顿散射的区别
康普顿效应：康普顿效应是美国物理学家康普顿在 研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了 一个新的现象，即散射光中除了有原波长λ0的x光外， 还产生了波长λ>λ0的x光，其波长的增量随散射角的 不同而变化。这种现象称为康普顿效应。
康普顿效应：目前没 有大规模的工业应用， 主要运用于电子显微镜、 CT等实验设备，还有无 损探伤，在不便布设传 感器时测量物体厚度等； 亦可被应用于放射疗法， 探测物质中的电子波函 数等。

光电效应和康普顿散射光电效应和康普顿散射是两种重要的物理现象，它们在量子力学和相对论物理领域都扮演着重要角色。

本文将分别对光电效应和康普顿散射进行深入探讨，以帮助读者更好地理解这两个现象的本质和影响。

光电效应是指当光束照射到金属表面时，金属材料中的自由电子受到激发而逸出金属表面的现象。

这一现象是由爱因斯坦在1905年在其光量子假说中首次提出的。

根据光电效应的基本原理，光子的能量必须大于金属材料的功函数（即光子的能量必须大于金属中束缚电子所需的最小能量），才能引起电子的逸出。

光电效应的光子能量与逸出电子的动能之间存在正比关系，这一关系被称为光电效应方程，即E=hf-Φ，其中E为电子的动能，h为普朗克常数，f为光子的频率，Φ为金属中的功函数。

康普顿散射是指当X射线束照射到物质表面时，X射线光子与物质中的电子发生散射并改变光子的能量和动量的过程。

这一现象是由美国物理学家康普顿在1923年首次观察到的。

康普顿散射的基本原理是根据光子的波粒二象性，当X射线光子与物质中的电子碰撞后，光子会失去能量并改变方向，而散射后的光子的能量与散射角度之间存在一定关系，这一关系被称为康普顿散射公式。

康普顿散射公式为Δλ=h/mc(1-cosθ)，其中Δλ为光子波长的变化量，h为普朗克常数，m为电子的质量，c为光速，θ为散射角。

综上所述，光电效应和康普顿散射是两种重要的物理现象，它们在解释光子-物质相互作用过程中起着至关重要的作用。

通过深入了解光电效应和康普顿散射的基本原理和公式，我们可以更好地理解光子在与物质相互作用时的行为规律，为应用于医学影像学、材料科学等领域提供理论基础和实际指导。

愿本文对读者有所帮助，引起更多关于光电效应和康普顿散射的思考与探讨。

例：求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。
解：
能量
动量
质量
二、康普顿效应
1.光的散射
光束通过光学性质不均匀的介质时，从侧面可以看到光的现象称为光的散射。
光在各个方向上散射光强的分布与光的波长有关，光的偏振状态也不同。
2.康普顿效应
在 X 射线通过物质散射时，散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更大的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长0和散射物质都无关。
可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108 倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。
2.光电倍增管
由相对论光子的质能关系
光子的质量
5.光子的质量、能量和动量
由相对论质速关系
有
所以，光子的静止质量为零。
光子的能量就是动能。
由狭义相对论能量和动量的关系式
光子的能量和动量的关系式为：
光子的动量：
三、光的波粒二象性
光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。
光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。
光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。
光子能量和动量为
上两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写波动性的 、。 h 将光的粒子性与波动性联系起来。
一、光电效应
由于半导体表面的电子吸收外界的光子， 使其导电性能增强的现象。
外光电效应
内光电效应
阳极
阴极
石英窗
光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出----光电子。
光电子在电场作用下形成光电流。
将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。
2.光电效应的实验规律

医学影像物理学__复习⼤纲整理医学影像物理学复习整理(四种成像技术的物理原理，基本思想等)第⼀章：X射线物理第⼀节：X射线的产⽣医学成像⽤的X射线辐射源都是利⽤⾼速运动的电⼦撞击靶物质⽽产⽣的。

1. 产⽣X射线的四个条件：（1）电⼦源（2）⾼速电⼦流（3）阳极靶（4）真空环境2.X射线管结构及其作⽤（阴极，阳极，玻璃壁）（1）阴极：包括灯丝，聚焦杯，灯丝为电⼦源，聚焦杯调节电流束斑⼤⼩和电⼦发射⽅向。

（2）阳极：接收阴极发出的电⼦；为X射线管的靶提供机械⽀撑；是良好的热辐射体。

（3）玻璃壁：提供真空环境。

3.a.实际焦点：灯丝发射的电⼦，经聚焦加速后撞击在阳极靶上的⾯积称为实际焦点。

b.有效焦点：X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线⽅向上投影的⾯积，称为有效焦点。

c.有效焦点的⾯积为实际焦点⾯积的sinθ倍。

(θ为靶与竖直⽅向的夹⾓)补充：影响焦点⼤⼩的因素有哪些？答：灯丝的形状、⼤⼩及在阴极体中的位置和阳极的靶⾓θ有关。

4.碰撞损失：电⼦与原⼦外层电⼦作⽤⽽损失的能量。

5.辐射损失：电⼦与原⼦内层电⼦或原⼦核作⽤⽽损失的能量。

6.管电流升⾼，焦点变⼤；管电压升⾼，焦点变⼩。

7.a.标识辐射：⾼速电⼦与原⼦内层电⼦发⽣相互作⽤，将能量转化为标识辐射。

b.韧致辐射：⾼速电⼦与靶原⼦核发⽣相互作⽤，将能量转化为韧致辐射。

6.连续X射线的短波极限只与管电压有关。

且与其成反⽐。

7.X射线的产⽣机制：电⼦与物质的相互作⽤，X射线是⾼速运动的电⼦在与物质相互作⽤中产⽣的。

韧致辐射是产⽣连续X射线的机制。

（1）X射线的穿透作⽤（2）荧光作⽤（3）电离作⽤（4）热作⽤（5）化学和⽣物效应*X射线的穿透作⽤是X射线医学影像学的基础。

第⼆节：X射线辐射场的空间分布1.X射线强度：X射线在空间某⼀点的强度是指单位时间内通过垂直于X射线传播⽅向上的单位⾯积上的光⼦数量与能量乘积的总和。

补充：X射线强度是由光⼦数量和光⼦能量两个因素决定。

光电效应和康普顿散射效应的关系光电效应和康普顿散射效应是现代物理学中两个十分重要的概念，它们在物理学和工程学中都有着广泛的应用。

本文将探讨光电效应和康普顿散射效应之间的关系。

一、光电效应光电效应是指当一个物质中的电子通过吸收光子的能量而跃迁到更高的能级时，它能够从物质中释放出来。

光电效应的物理基础是光电子现象，即光子在相互作用中能够产生、消失或转换为相反方向的光子。

光电效应不仅具有理论位于，而且在实际应用中也有广泛的应用。

例如，光电效应被广泛用于光能转换，如太阳能电池板和光电二极管等。

二、康普顿散射康普顿散射是指当一束X射线与介质中的自由电子碰撞时，X射线的能量留在自由电子中，造成X射线散射，其散射角度与原始射线角度有关。

康普顿散射的基本物理原理是能量守恒和动量守恒。

康普顿散射同样具有非常广泛的应用，如用于测量材料的密度和厚度，以及用于医学影像诊断等。

三、光电效应与康普顿散射的关系光电效应和康普顿散射都是X射线和伽马射线与物质相互作用的两个主要过程。

虽然光电效应和康普顿散射本质上是截然不同的两个物理过程，但它们之间是密不可分的。

当一个光子与原子中的电子相互作用时，如果光子的能量足够高，那么这个光子将充满光电效应的概率，即该光子将吸收并将其所有能量转移到该电子。

而如果光子的能量比电子束缚能量低得多，光子就很可能被散射或透射而不会被吸收。

康普顿散射则是在高能量辐射与物质相互作用时产生的。

这项过程中的散射粒子是电子，并且散射中的光子产生的是康普顿效应，这种效应是利用从X射线中散射相对较小的能量，在医疗和科学中产生重要的应用。

总之，光电效应和康普顿散射都是现代物理学中非常重要的概念，在各种领域都有着广泛的应用。

光电效应和康普顿散射之间的关系可以帮助我们更好地理解这两种现象的本质和特征，也可以为我们在实践中更好地利用它们的特性提供指导。

康普顿效应
• 定义：当入射X射线和原子内一个轨道电子 发生相互作用时，光子损失一部分能量， 并改变运动方向，电子获得能量而脱离原 子，这个过程称为康普顿效应。
康普顿效应示意图
影响康普顿效应的发生几率的因素
• 康普顿效应的发生几率与光子的能量成反 比，与原子序数和单位体积内的原子个数N 成正比。
Z和hv与三种基本作用的关系
1、能量低的光子与高原子序数的物质 以光电效应为主。 2、能量中等的光子与高原子序数的物 质以康普顿效应为主。 3、能量高的光子与高原子序数的物质 以电子对效应为主。
电子对效应
• 定义：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。
影响电子对效应发生几率的因素
• 电子对效应的发生几率与物质原子序数的 平方成正比，与单位体积内的原子个数成 正比，并与光子能量成近似正比关系。
第三章 X射线与物质的相互作用
• • • • • 一、光电效应 二、康普顿效应 三、电子对效应 四、相干散射 五、光核作用
光电效应
• 定义：能量变hv的X射光子通过物质时，与 物质原子的轨道电子发生相互作用，把全 部能量传递给这个电子，光子消失，获得 能量的电子挣脱束缚成为自由电子（称为 光电子）；原子的电子轨道出现一个空位 而处于激发态，它将通过发射特征X射线或 俄歇电子的形式很快回到基态，这个过程 称为光电效应。
诊断放射学中的光电效应
• 有利的方面 • 1、光电效应不产生散射线，增大光电效应 就可减少照片的灰雾，产生质量好的影像。 • 2、光电效应增加人体不同组织和对比剂对 射线的吸收差别，产生高对比度的X射线照 片（钼靶软组织X射线摄影） • 有害的方面 • 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。

光电效应与康普顿效应
光电效应和康普顿效应都是描述光与物质相互作用的现象。

光电效应是指当光照射到金属等一些物质表面时，如果光的能量足够大，就会把一部分光子的能量转移到金属上的电子上，使电子从金属中逸出。

这个现象表明光具有粒子性，并且能量和动量可以借由光子传递给物质。

康普顿效应是指当X射线或伽马射线与物质相互作用时，将发生一种散射现象，其中光子的能量和动量发生改变。

在康普顿散射过程中，光子与物质中的自由电子相互作用，使光子发生能量和方向的改变。

这个现象表明光也具有波粒二象性，能量和动量也可以通过光子与物质的相互作用来传递。

光电效应和康普顿效应的发现和研究为量子力学的发展提供了重要的实验证据，也为后续研究光与物质相互作用的原理和应用提供了基础。

这些效应在实际应用中有着广泛的应用，比如光电传感器、X射线成像和伽马射线治疗等。

1.1简答连续X射线产生机理。

工业检测中X射线的总强度与哪些因素有关答：根据经典电动力学理论，在X射线管内高速运动的电子与靶原子碰撞时，与原子核的库仑场相互作用，由于电子急剧减速而产生电磁辐射，称为韧致辐射。

电子与靶相撞前初速度各不相同，相撞时减速过程又各不相同，少量电子经一次撞击就失去全部动能，而大部分电子经过多次制动逐渐丧失动能，这就使能量转换过程中所发出的电磁辐射具有各种波长，因此，X射线的波谱呈连续分布，就产生了连续X射线。

1.2工业检测中X射线的总强度与哪些因素有关1.3答： X射线束在某一垂直截面的总强0度I总与管电流i成正比，与阳极靶材料的原子序数Z成正比，与管电压V的平方成正比。

即：I总＝K i ZiV2。

简答X射线和γ射线的性质答：Ｘ射线和γ射线有以下性质：（1）Ｘ射线和γ射线同属于电磁波，在真空中以光速直线传播。

（2）本身不带电，不受电场和磁场的影响。

（3）在物质界面只能发生漫反射，折射系数接近于 1，折射方向改变的不明显。

（4）仅在晶体光栅中才产生干涉和衍射现象。

（5）不可见，能够穿透可见光不能穿透的物质。

（6）在穿透物体过程中，会与某些物质会发生复杂的物理和化学作用，例如电离作用、荧光作用、热作用和光化学作用。

（7）具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，破坏生物组织等。

X射线和γ射线有哪些不同点答：两者的有以下区别：（1）X射线是韧致辐射的产物，而γ射线是放射性同位素原子核衰变的产物；（2）X射线是连续谱，γ射线是线状谱；（3）X射线的能量取决于加速电子的管电压，γ射线的能量取决于放射性同位素的种类；（4）X射线的强度可控，γ射线的强度不可控。

什么是光电效应答：当光子与物质原子的内层束缚电子作用时，光子与原子中的轨道电子发生弹性碰撞，光子的全部能量传递给轨道电子，使这个电子脱离轨道发射出去，而光子本身消失，这一现象称为光电效应。

什么是康普顿效应答：光子与物质原子核的外层电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子自身能量减少，波长变长，改变运动方向成为散射光子；电子获得光子一部分能量成为反冲电子，这一过程称康普顿效应。

一、 X线影像摄影基础
X射线的发现
1895年11月8日,德国物学家伦琴 (W．Raontgen) 发现了X射线。
三天以后，偶然看到了伦琴的夫人手的 X射线造影。从此就开创了用X射线进行 医学诊断的放射学——X射线摄影术， 奠定了医学影像摄影的基础。
一、 X线影像摄影基础
低气压放电现象：
1836年，英国科学家法拉第发现，稀薄气体放电时， 会产生一种绚丽的辉光。因为它是由阴极发出的， 后来物理学家把这种辉光称为“阴极射线” （cathode ray） 。为探明阴极射线，许多科学家进 行了艰巨的研究。
生散射现象，这现象首先由美国物理学家康普顿
于1922年发现，并作出理论解释，故称康普顿效 应。
康普顿效应产生较多散射线，在X线成像过程
中会降低成像质量。
五、X线的吸收定律
由物理学的吸收定律(朗伯定律)可知，当一单色线束通 过一密度均匀的小物体时，其能量因与物质的原子相互 作用而减弱，减弱的程度与物质的厚度和组成成分或吸 收系数有关，可用下式表达：
(2) 不是所有脏器都以CT检查作为首选。
(3) 以X射线作为信息载体,仍对人体存在伤害。
(4) CT的图像是形态学影像。
三、 CT技术发展趋势
多层螺旋CT是主要代表
1998年推出的多层CT使 得CT在扫描速度；图像
质量、扫描范围、适用
器官等方面取得新的突 破,是CT技术进入新阶段 的标志。
三、 CT技术发展趋势
CT血管造影(CTA)
CT三维图像重建 CT介入 CT仿真内镜 CT灌注成像
CT立体定向技术
CT心脏检查
CT血管造影(CTA)
四、X射线的产生
高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是X

“足跟”效应(阳极效应) 改变
焦点的大小和形状
第一章 X射线物理
35
二、X射线强度的空间分布
2．厚靶周围X射线强度的空间分布
第一章 X射线物理
36
二、X射线强度的空间分布
2．厚靶周围X射线强度的空间分布
第一章 X射线物理
37
二、X射线强度的空间分布
2．厚靶周围X射线强度的空间分布 阳极效应的另一个重要的后果就是改变了有效焦 点的大小和形状
14
一、X射线管(X-ray tube)
3. X射线管的焦点(focal spot)
理 想有效 焦点是圆 形 实际形状双香蕉状
焦点的一般形状
第一章 X射线物理
15
一、X射线管(X-ray tube)
3. X射线管的焦点(focal spot)
3.9 3.8 50kVp
焦点大小(mm)
3.7
3.6
3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 110kVp 80kVp
光电线性衰减系数，符号 τ 光电质量衰减系数，符号 τ 3
Z (h )3
光电效应发生的概率随光子能量的变化
第一章 X射线物理
48
二、光电效应(photoelectric effect)
2. 作用系数
10
1
L
10 0
101
K
光电质量衰减系数
j
第一章 X射线物理
44
一、X射线与物质相互作用系数
2. 质能转移系数和质能吸收系数
线性能量转移系数 光子在物质中穿行单位距离时，其 总能量由于各种相互作用而转移给 带电粒子动能的份额
Etr tr h
总转移系数

X射线是由人为的高速电子流撞击金属靶产生的,一类是韧致辐射，另一类是标识辐射或特征辐射。

X射线是由一种特制的X射线管产生的，它是由阴极、阳极和高真空的玻璃管和陶瓷外壳组成。

特点:连续X射线的波长与阳极的材料无关连续X射线的波长在长波方向，理论上可以扩展到，而在短波方向实验证明具有最短波长连续X射线的总功率为，输入功率因此，X 射线管的效率为射线与物质的相互作用主要有三种主要过程：光电效应、康普顿效应（射线的衰减主要是由此效应引起的）和电子对的产生。

射线的衰减并不是呈直线比例，而是呈指数规律衰减的。

射线衰减定律：灵敏度：发现缺陷的能力，也是探伤质量的标志。

一种是绝对灵敏度（有单位），另一种是相对灵敏度（没有单位）公式：透度计又称像质指示器，有两种：槽式透度计（透度计要用与被透照工件材质吸收系数相同或相近的材料制成。

槽式透度计型号的选用，应根据焊缝的加强高决定，即焊缝的高度与透度计的厚度要接近，透照时，将透度计置于焊缝一侧，并将浅槽一端远离射线束中心位置，透度时，在底片上发现最浅槽h）和金属丝透度计K=增感屏（为了增加胶片的感光速度，对胶片加强感光作用）通常有三种：金属增感屏、荧光增感屏和金属荧光增感屏。

增感系数K照相时，通常是在胶片的一面或两面贴紧增高屏，以缩短曝光时间。

曝光参数的选择1.射线硬度（波长）2.射线的曝光量3.影像的射线照相对比度4.焦距的选择：焦距就是从放射源（焦点）至胶片的距离。

5.曝光曲线（1）不同管电压下，材料厚度与曝光量的关系曲线（2）不同焦距下，材料厚度与管电压的关系曲线(3)等效系数：两块不同厚度的不同材料在入射强度为Ｉ的射线源照射下，若得到相同的出射强度Ｉ，则称二者为等效系数。

它们的厚度之比称为材料的等效系数。

铝合金材料优先选择什么方法：涡流检测特性曲线：曲线上的A点，是在曝光量为0时的固有的底片黑度，称为胶片的灰雾度。

当曝光量增加到B点，底片上的黑度没有增加，超过B点以后，才能使胶片起感光作用，所以B点称为曝光量的阈值。

X射线在医学上有着极为广泛的应用，通过影像学基础知识的学习或者说科普知识的了解，我们大致知道其中的一些原理，然而可能仍然是一种是事而非印象。

近来饶有兴趣地学习原子物理学，对于其中的深层次的东西有所体会，写此文会对大家更深层次地去认识医学影像学和放射肿瘤学较有帮助。

1895年伦琴发现X射线，随后藉此获得第一届的诺贝尔物理学奖，此发现开始了近代物理学的新时期，关于伦琴发现X线的过程不赘述。

简单说X射线产生的原理就是高速运动的电子突然受到物体的阻滞而产生的。

加速（或减速）带电粒子能辐射出电磁波，这是经典电磁波的理论，因此当高速运动的电子在靶上突然受到阻滞时，就会产生电磁波，即X射线。

实际应用中的X线发生器就是用高速电子流撞击钨靶而产生的。

这其中有两个理论我们要搞清楚:(1) 经典电磁波理论与韧致辐射：经典的电磁波理论里面认为“加速（或减速）带电粒子能辐射出电磁波”。

我们如何去理解这个现象？通过中学的物理知识我们知道麦克斯韦的电磁学理论认为电场能够产生磁场，磁场也能够产生电场。

我们是否就可以认为这是电场产生磁场的一种方式？我个人认为这个理解肯定是不全面的。

由于还没有去学习电磁学的相关知识，暂时是我的一个疑问。

当带电粒子与原子（或原子核）相碰撞，发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射称为韧致辐射(相反的，带电粒子加速运动时同样可以产生辐射，称为同步辐射，这种射线由于其独特性能也有着广泛的应用)，其强度反比于入射带电粒子质量平方，正比于靶物质核电荷的平方（为什么会这样？从核库仑力方面去理解）。

由于这种骤然减速是在靶物质核库仑力作用下连续变化的，因此这种X线谱也是一种连续谱。

医学、工业等方面应用的主要也就是这部分连续谱。

电子与靶物质碰撞时，除了产生辐射，还会发生弹性碰撞，这两种作用方式都会损失能量，碰撞就产生热量，二者之比为：碰撞损失/辐射损失=800Mev/T*Z。

其中T代表的是电子的动能，Z代表的是靶物质的原子序数。

【关键字】复习题第一章X射线物理第一节X射线的产生1.X射线产生条件：电子源、高速电子流、阳极靶2.靶去倾角越小，有效焦点的长度越小，即有效焦点的面积越小；实际焦点越大有效焦点的面积也增大，影像在胶片上所形成影像的清晰度；焦点上α射线增强度的差别主要是由灯丝，聚焦罩和加在聚焦罩上的电压来决定。

影像有效焦点大小的因素：灯丝大小、管电压和管电流、靶倾角3.电子与原子的外层电子作用而损失的能量统称为碰撞损失。

凡属电子与原子核或原子的内层电子作用而损失的能量统称为辐射损失。

100KV管电压下，电子撞击在钨靶上，99.1%的能量以碰撞损失，仅有0.9%的能量产生X射线。

4.连续X射线：韧致辐射是高速电子与靶原子核发生相互作用的结果，韧致辐射能谱连续。

短波极限（λmin），hνmax=eU，λmin=，λmin=(nm)。

连续X射线的短波极限只与管电压有关，而与其他因素无关。

5.特征X射线：如果高速电子没有与靶原子的外层电子作用，而是与内层电子发生作用，就会产生特征辐射，特征辐射的谱是线状的。

X射线的能量等于发生跃迁的来年各个轨道电子的结合能之差。

只有当入射电子的动能大于靶原子的某一壳层电子的结合能时，才能产生特征X射线。

而入射电子的动能完全由管电压决定。

因此，管电压U须满足eU≥Wi6.影响X射线能谱的大小和相对位置的因素①管电流：能谱的幅度②管电压：能谱的幅度和位置③附加滤过：能谱幅度，在低能时更加有效④靶材料：能谱的幅度和标识X射线谱的位置⑤管电压波形：能谱幅度，在高能时更加有效第二节X射线辐射场的空间分布1.X射线强度：X射线在空间某一点的强度是指单位时间内通过笔直于X射线传播方向上的单位面积上的光子数量与能量乘积的总和。

X射线强度是由光子数目和光子能量两个因素决定的I=N-hv2.X射线的量与质：X射线的量决定于X射线束中的光子数。

X射线的质只与光子的能量有关，而光子的能量又由管电压和滤过厚度有关。

浅析光电效应和康普顿效应的联系和区别光的粒子性对应的现象分别为光电效应和康普顿效应。

光电效应是电子吸收光子，而康普顿效应是光子与电子发生弹性碰撞。

为什么会产生这样的区别呢？它们之间又有什么样的联系呢？同样是用光子去打击电子，为什么用可见光照射表现为光电效应，而用x 射线照射就表现为康普顿效应呢？为什么用可见光照射时有些电子可以吸收光子，而用x射线照射电子就不吸收光子，却表现为光子与电子的碰撞呢？首先要明确与光子发生相互作用的电子所处的状态有两种，即自由态和束缚态。

在光电效应中，入射光是可见光和紫外光，这些光子的能量不过是几个电子伏特，这和金属中电子的束缚能量有相同的数量级，不能把金属中的电子看做是自由的。

电子可以吸收光子，产生光电效应。

考虑光子、电子和原子核三者的能量和动量的变化，遵循非相对论能量守恒定律和动量守恒定律（电子获得速度v不大，满足非相对论条件v<c）。

由于原子核的质量比电子的质量大几千倍，所以原子核的能量变化很小，可以略去不计，动量变化较大，不能省略。

因此，爱因斯坦方程只表示出光子和电子之间的能量守恒，而没有相应的光子和电子的动量守恒。

当光子入射到金属表面时，光子的能量全部为金属中的电子吸收，电子把这能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚，余下的一部分变成电子离开金属表面后的动能，按能量守恒定律，有在康普顿散射中，入射光是x光，这些光子的能量为104~105 电子伏特，而原子序数低的原子中，原子核对电子的束缚弱，电离能仅几电子伏特，在x光子与电子作用时，电离能可以略去不计，因此对于所有原子序数低的原子，都可以假定散射过程仅是光子和电子的相互作用，把电子看作自由电子，且在受到光子作用之前是静止的。

对于x光子与原子外层电子的相互作用，电子不能吸收光子，只能发生光子与电子碰撞。

考虑光子和电子的能量、动量变化，遵循相对论能量和动量守恒定律。

当然，原子中也有被束缚得紧密的电子，特别是重原子中被束缚得紧密的电子更多些，当光子打在这些电子上时，实际上等于和整个原子相碰（把整个原子看作自由粒子），原子的质量比电子的质量大得多（最轻的氢原子的质量比电子的质量约大2000倍），因此，由于碰撞，光子传给原子本身而使其运动的能量很小，亦即δλ的变化很小，这个变化实际上观察不到。

康普顿效应compton effect概述1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长l0的x光外，还产生了波长l>l0 的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。

这种现象称为康普顿效应(compton effect)。

用经典电磁理论来解释康普顿效应遇到了困难。

康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释.我国物理学家吴有训也曾对康普顿散射实验作出了杰出的贡献。

对康普顿散射现象的研究经历了一、二十年才得出正确结果。

康普顿效应第一次从实验上证实了爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设。

这在物理学发展史上占有重要的位置。

光子在介质中和物质微粒相互作用时，可能使得光向任何方向传播，这种现象叫光的散射．1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现，有些散射波的波长比入射波的波长略大，他认为这是光子和电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，康普顿假设光子和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅具有能量，也具有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒．按照这个思想列出方程后求出了散射前后的波长差，结果跟实验数据完全符合，这样就证实了他的假设。

这种现象叫康普顿效应。

发现1922～1923年康普顿研究了X射线被较轻物质(石墨、石蜡等)散射后光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分。

这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。

康普顿将0.71埃的X光投射到石墨上，然后在不同的角度测量被石墨分子散射的X光强度。

当θ=0时，只有等于入射频率的单一频率光。

当θ≠0（如45°、90°、135°）时，发现存在两种频率的散射光。

一种频率与入射光相同，另一种则频率比入射光低。

后者随角度增加偏离增大。

实验结果：(1)散射光中除了和原波长λ0相同的谱线外还有λ＞λ0的谱线。