X线与物质的相互作用
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x射线透视成像原理
x射线透视成像原理
X射线透视成像原理主要是利用X线与物体之间的相互作用。
当X射线穿过物体时，主要发生的相互作用有瑞利散射、康普顿散射、光电效应和电子对效应等，这些相互作用会导致射线强度的衰减。
这种衰减程度会随着被穿透物质的成分和穿透路径长度的不同而有所变化，通常服从指数规律。
在透视成像过程中，图像的对比度主要由路径上物质的质量衰减系数、物质密度以及X射线的透射距离这3个因素决定。
这种特点使得透视成像对于高密度、强X射线吸收能力的物质具有显著的辨识能力，从而可以实现对行李物品中的金属类违禁品，特别是枪支、刀具、手雷、雷管等物品的检查。
另外，请注意，X射线安检仪的图像并不一定是彩色的，医院的X光片通常也是黑白的。
X线的性质与物质相互作用
X线与物质相互作用
• 1、光电效应：X线光子与构成原子
，密度的变化可明显影响摄影条件,要 的内壳层轨道电子碰撞时，将其全 根据不同密度物质选择适当的射线能 部能量传递给原子的壳层电子，电 量。 子摆脱原子核束缚，称为自由电子， 意义：增加X线的对比度，病人接 X线光子被物质吸收，此过程称为光 收剂量大，为减少对病人的照射，采 电效应。原子变为离子，处于激发 态，外层电子填充空缺，产生特征X 用高能量射线。 线。特征X线离开原子前，又击出外 层电子，使之成为俄歇电子，此过 程为俄歇效应。 产物：光电子、正离子、标识 辐射、俄歇电子。 产生条件及发生几率：入射光 子的能量与轨道电子的结合能必须 接近相等（稍大于）才容易产生光 电效应。光电发生几率大约和光子 能量的三次方成反比，与原子序数 的四次方成正比。这就说明：不同 密度的物质能产生明显的对比影像
X线的特性
• 1、物理特性 • 2、化学特性 ①X线在真空中，是直线传播不可 ①感光作用：和可见光一样，具有 见电磁波。 光化学作用。例如使胶片乳剂感光。 ②X线不带电，不受外电磁场干扰。 ②着色作用：某些物质经X线长期 大剂量照射后，其结晶体脱水渐渐 ③穿透本领：X线频率高，波长短， 改变颜色，称为着色反应，如水晶、 物质吸收较弱，因此有很强的贯穿 铅玻璃。 本领。 · 3、生物效应 ④荧光作用：某些物质被X线照射 后，能激发出可见荧光。如磷、钨 X线在生物体内产生电离及激发， 酸钙、铂氰化钡等荧光物质，增感 也就是使生物体产生生物效应。通 屏即用此原理制成。 常将辐射生物效应分为： ⑤电离作用：击脱原子中轨道电子， ①确定性效应：射线照射人体全 发生一次电离，被击脱电子继续电 部或局部组织，若能杀死相当数量 离更多原子。X线的电离作用主要是 的细胞而这些细胞又不能由活细胞 次级电子的电离作用。 的增殖来补充，则这种照射可引起 人类的确定性效应。 ⑥热作用：X线被物质吸收，最终 绝大部分转变为热能。 ②随机性效应：该效应被认为无 剂量阈值，有害效应的严重程度与 受照计量的大小无关。
x线电离效应
x线电离效应
X线电离效应"（X-ray ionization effect）是指X射线与物质相
互作用时，能量足够高的X射线光子可以从原子或分子中去
除一个或多个电子，使原子带正电荷成为离子的过程。
X射线电离效应是X射线与物质相互作用的重要过程之一。
当X射线经过物质时，其高能量的光子会与物质中的原子或
分子发生相互作用。
在与原子或分子相互作用的过程中，X射线光子能量会被转移给电子，使其脱离原子或分子成为自由电子，从而形成正离子和自由电子对。
这个过程被称为电离。
X射线电离效应的具体过程包括两种主要类型：直接电离和间接电离。
直接电离是指X射线光子直接与原子内的电子相互
作用，将电子从原子中剥离。
间接电离是指X射线光子与原
子或分子中的电子相互作用，将能量转移到另一个电子，使其获得足够能量以逃离原子。
无论是直接电离还是间接电离，结果都是产生正离子和自由电子对。
X射线电离效应对于医学成像和放射治疗等领域非常重要。
在医学成像中，通过观察物质对X射线电离效应的响应，可以
获取关于物质内部结构的信息。
在放射治疗中，利用X射线
的电离效应可以对癌细胞进行杀伤。
总之，X射线电离效应是X射线与物质相互作用的重要过程，其对于医学成像和放射治疗等应用具有重要意义。
第3章 X射线与物质的作用
2、电子对效应的概率
t nZ ln E
2
高能量的光子和大原子序数的介质对电子对效应 的发生是有利的。 由于医学成像的射线能量不会超过200KeV，故电 子对效应在医学成像领域不会出现。
三种作用方式的总结
1) 光子能量一般在 0.01-10MeV 范围。 2) 0.01-0.8MeV时，光电效应占主导。 0.8-4.0MeV时，康普顿散射占主导。 4.0-10..MeV时，电子对效应占主导。 3) 医学影像中X线不超过 0.3 MeV，故电子 对效应不可能发生。
康普顿散射的次级粒子
运动的自由电子 （反冲电子） 散射光子 hv散 新的标识光子
2、康普顿散射发生的概率
N e t C1
E
与介质的原子序数关系不大， 与介质的密度成正比， 与光子能量成反比。
3、康普顿散射对医学成像的影响
是X射线成像的最大散射线来源，影响成像 质量。 散射到各个方向，须加强防护。
3.1.2 光电效应
1、光电吸收现象 光电作用过程是光致电离的过程，一个 辐射光子使原子的一个壳层电子脱离原子， 变成光电子。 光子的能量用来克服电子的结合能使原 子电离，剩余部分能量变为光电子的动能。 这一现象就叫光电效应。 如果光电子来自较低能级的壳层（如K、 L层），那么留出的空位在被更高能级的电 子填充时会产生标识辐射光子。这个过程 与高速电子轰击阳极靶产生标识辐射X线光 子的过程类似。
能量较高的辐射光子在与物质相互作 用时，光子方向发生偏离，能量（频率、 波长）也发生变化。这一现象由A H Compton首先发现，他把这一现象解释为 辐射光子与“自由”电子非弹性碰撞的结 果。
图解康普顿散射
放射物理与防护___第04章X线与物质的相互作用分解
放射物理与防护___第04章X线与物质的相互作用分解X线与物质的相互作用是放射物理与防护领域中的重要内容，本文将着重分析X线与物质的相互作用的几个主要过程。
首先，当X射线穿过物质时，会发生散射、吸收和透射三个主要过程。
散射指的是X射线与物质中的原子或分子发生碰撞后改变方向的现象。
散射包括弹性散射和非弹性散射两种类型。
弹性散射是指X射线与物质中的原子或分子发生碰撞后仅改变方向，而能量和频率不变。
非弹性散射是指X射线与物质中的原子或分子发生碰撞后不仅改变方向，还会改变能量和频率。
散射过程会降低X射线的强度和能量。
吸收是指X射线与物质中的原子或分子发生相互作用而被吸收的现象。
吸收程度取决于X射线的能量和物质的原子或分子结构。
低能量的X射线更容易通过物质，高能量的X射线则更容易被物质吸收。
吸收过程会转化为物质的内能，增加物质的温度。
透射是指X射线穿过物质而保持能量、频率和方向不变的现象。
透射过程与吸收和散射过程相反，透射的X射线可以被探测器接收到。
透射的程度取决于物质的厚度和密度，以及X射线的能量。
其次，X线与物质相互作用时还涉及到光电效应、康普顿散射和正电子湮灭等过程。
光电效应是指X射线与物质中的原子或分子发生相互作用后使得电子被轰出原子或分子而形成电离的过程。
光电效应只在低能量的X射线中占主导地位，而在高能量的X射线中变得不重要。
光电效应是造成X射线吸收的主要过程之一康普顿散射是指X射线与物质中的自由电子发生碰撞后改变方向并且X射线的能量减小的现象。
康普顿散射是散射过程中最主要的一种类型，它不仅会减少X射线的能量，也会改变X射线的方向。
正电子湮灭是指正电子与电子相遇后相互湮灭并释放出能量的过程，产生两个相互垂直的伽玛射线。
这种湮灭过程常常用于正电子断层扫描（PET）成像技术中。
最后，对于X线与物质相互作用的防护措施主要包括屏蔽和个人防护。
屏蔽是指使用合适的材料对X射线进行有效的阻挡。
不同密度和厚度的材料对X射线的屏蔽效果不同。
x射线的原理和应用
x射线的原理和应用一、x射线的原理x射线是一种高能电磁辐射，由电子束与物质相互作用产生。
其原理如下：1.电子束：x射线的产生需要一束高速运动的电子。
通常采用电子加速器或x射线管产生电子束。
2.电子束与物质的相互作用：电子束与物质相互作用时会发生电子-原子核相互作用、电子-电子相互作用和电子-原子轨道相互作用。
在这些相互作用下，电子会失去能量并发射出x射线。
3.x射线的产生：电子束与物质相互作用后，部分电子会失去能量并被重新组合，形成x射线。
x射线的能量取决于电子束的能量和物质的成分。
二、x射线的应用x射线在医学、工业和科学研究中有着广泛的应用。
1. 医学应用•诊断：x射线在医学诊断中起到了至关重要的作用。
医生可以利用x 射线影像来观察骨骼和内脏器官，从而发现病变和异常情况。
常见的应用包括X线检查、CT扫描和乳腺X线摄影等。
•放疗：x射线的高能量可以用于治疗肿瘤和其他疾病。
通过照射患者的肿瘤区域，x射线可以破坏癌细胞的DNA，从而达到治疗的目的。
2. 工业应用•材料检测：x射线可以用于材料的非破坏性检测。
通过对材料进行x 射线照射和观察，可以检测材料的结构和缺陷，如金属的裂纹和焊接接头的质量。
•质量控制：很多工业生产过程中都需要对产品进行质量控制。
x射线可以用于检测产品是否符合规格和标准，例如食品中金属异物的检测和纺织品的密度检测等。
3. 科学研究应用•结构分析：x射线衍射技术可以用于研究材料的结构。
通过将x射线束照射到样本中，研究者可以观察到x射线经过样本后的衍射图案，从而推断样本的结晶结构和晶体学参数。
•谱学分析：x射线也可以用于谱学分析。
通过测量x射线在材料中发生的散射和吸收现象，研究者可以获得材料的元素组成和化学环境等信息。
以上只是x射线应用的一部分，随着科技的发展，对x射线的研究和应用还将不断扩展和深化。
三、结语x射线是一种重要的电磁辐射，其原理和应用广泛而深入。
在医学、工业和科学研究领域，x射线发挥着巨大的作用。
X线与物质的相互作用
X线与物质的相互作用X线是一种高能电磁辐射，具有很强的穿透力和能量。
当X线与物质相互作用时，会发生一系列的物理过程，包括散射、吸收和荧光等。
这些相互作用的方式和过程对于X线的应用和对物质的分析具有重要意义。
首先，X线经过物质时会发生散射现象。
散射是指X线的方向发生改变，但其频率不变。
散射分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指X线与物质相互作用后，X线的能量和频率保持不变，而方向变化。
非弹性散射则是指X线的能量和频率发生改变。
散射现象可以用来研究物质的结构和组成，例如通过测量散射角度可以得到物质的晶体结构信息，通过散射谱可以分析物质的元素含量。
其次，X线在物质中会被吸收。
吸收是指X线的能量被物质吸收，并转化为其他形式的能量。
物质对X线的吸收程度取决于其密度和原子序数。
高密度和高原子序数的物质对X线的吸收更强。
利用物质对X线的不同吸收特性，可以进行X射线吸收测定，即通过测量透射X线的强度变化来确定物质的含量或浓度。
此外，物质还会产生X射线荧光。
当X线照射到物质上时，物质中的原子会受到激发，从能级较高的态转移到能级较低的态。
在这个过程中，物质会发射出一定能量的X射线。
这种现象被称为X射线荧光。
利用X射线荧光分析技术可以进行非破坏性的物质分析，例如矿石中的金属元素含量的测定等。
此外，X线还能通过共振现象与物质发生相互作用。
共振是指当X线的能量和物质的激发能级之间存在相等关系时，X线与物质之间会发生共振吸收。
这种共振吸收现象可以用来研究物质的电子结构和原子核结构。
通过测量共振吸收谱，可以获得物质的电子能级和原子核能级的信息。
综上所述，X线与物质的相互作用包括散射、吸收、荧光和共振等现象。
这些相互作用的方式和过程提供了丰富的物理信息，可以用来研究物质的结构、组成、含量等。
X射线技术在材料科学、地球科学、生物医学等领域有广泛的应用，为科学研究和工业生产提供了重要的手段和方法。
X线的物理特性
X线的物理特性X线是一种电磁波，具有一些特殊的物理特性。
本文将介绍X线的产生、传播、吸收和成像原理，以及在医学、工业和安全检测中的应用。
一、X线的产生X线是通过电子与物质相互作用产生的。
当高速电子通过一定电压加速器时，它们与物质相互碰撞并失去能量。
在这个过程中，电子会发射出X光，也就是X线。
常见的X线产生装置有X射线管和粒子加速器。
二、X线的传播X线在空气中传播时，会以直线形式传播，具有穿透力强、能量高、波长短等特点。
由于X线具有电荷不中性和几乎没有质量的特性，因此在传播过程中不受电磁场的限制。
三、X线的吸收X线在物质中的吸收受到物质的厚度、密度以及材料成分的影响。
在经过物质时，X线会与物质中的原子相互作用，产生散射或吸收。
被吸收的X线能量被转化为物质的离子化和激发，从而产生了用于成像的信号。
四、X线的成像原理X射线成像是通过照射被检体，利用X光的吸收特性来获得被检体的内部结构信息。
当X光穿过被检体时，被吸收的X光将会减弱或完全被吸收，而未被吸收的X光将透射到探测器上形成图像。
通过控制不同的角度和强度，可以得到具有不同对比度和分辨率的影像。
五、X线的应用1. 医学影像学：X射线成像在医学中广泛应用于检查和诊断疾病，如放射线摄影、计算机断层扫描（CT）和X射线衍射等技术。
2. 工业检测：X射线成像可用于工业领域的材料检测和缺陷分析，如无损检测、质量控制和金属结构检查等。
3. 安全检测：X射线安检机广泛用于机场、车站等公共场所，用于检查行李和人体隐蔽物品。
六、总结X线具有穿透力强、能量高、波长短等特点，是一种重要的电磁波。
通过了解X线的特性，我们可以更好地理解X射线成像的原理和应用。
在医学、工业和安全检测等领域，X射线成像技术正发挥着重要的作用，为人们的生活带来了诸多便利。
X线与物质的相互作用教学稿件
折射
X线在不均匀介质中可能发生散射现象，导致强度降低和图像失真。
散射
X线在不均匀介质中的传播
X线在物质中传播时，能量会被吸收而逐渐衰减。
X线在物质中传播时，部分能量会被散射而损失，导致强度降低。
X线在物质中的衰减
散射衰减
吸收衰减
04
CHAPTER
X线成像原理
穿透作用
荧光作用
感光作用
生物效应
X线成像的基本原理
使用铅围裙、铅眼镜等防护用品，减少辐射对敏感部位的照射。
防护原则
遵循“合理降低剂量、减少不必要的暴露”的原则，采取有效的防护措施。
减少曝光时间和次数
尽量缩短X线检查的时间和次数，避免重复检查。
X线的防护措施
06
CHAPTER
实验与实践环节
掌握X线与物质相互作用的基本原理。
学会利用实验观察和分析X线与物质相互作用的现象。
普通X线成像
利用计算机技术和数字化技术，将X线影像转化为数字信号，进行数字化处理和显示。
数字X线成像
利用多角度X线扫描和计算机重建技术，生成三维图像。
CT成像
利用磁场和射频脉冲，使人体组织中的氢原子发生共振，通过计算机重建图像。
MRI成像
X线成像的种类
X线成像的质量因素
X线影像中不同组织之间的密度差异，影响影像的清晰度和辨识度。
培养学生对实验数据的处理和归纳能力。
实验目的与要求
观察X线在空气中的传播
实验一
观察X线在物质中的穿透和吸收
实验二
观察X线在物质中的散射和衍射
实验三
利用计算机模拟X线与物质的相互作用
实验四
实验内容与方法
X线在空气中的传播路径和衰减规律
X线在不均匀介质中可能发生散射现象，导致强度降低和图像失真。
散射
X线在不均匀介质中的传播
X线在物质中传播时，能量会被吸收而逐渐衰减。
X线在物质中传播时，部分能量会被散射而损失，导致强度降低。
X线在物质中的衰减
散射衰减
吸收衰减
04
CHAPTER
X线成像原理
穿透作用
荧光作用
感光作用
生物效应
X线成像的基本原理
使用铅围裙、铅眼镜等防护用品，减少辐射对敏感部位的照射。
防护原则
遵循“合理降低剂量、减少不必要的暴露”的原则，采取有效的防护措施。
减少曝光时间和次数
尽量缩短X线检查的时间和次数，避免重复检查。
X线的防护措施
06
CHAPTER
实验与实践环节
掌握X线与物质相互作用的基本原理。
学会利用实验观察和分析X线与物质相互作用的现象。
普通X线成像
利用计算机技术和数字化技术，将X线影像转化为数字信号，进行数字化处理和显示。
数字X线成像
利用多角度X线扫描和计算机重建技术，生成三维图像。
CT成像
利用磁场和射频脉冲，使人体组织中的氢原子发生共振，通过计算机重建图像。
MRI成像
X线成像的种类
X线成像的质量因素
X线影像中不同组织之间的密度差异，影响影像的清晰度和辨识度。
培养学生对实验数据的处理和归纳能力。
实验目的与要求
观察X线在空气中的传播
实验一
观察X线在物质中的穿透和吸收
实验二
观察X线在物质中的散射和衍射
实验三
利用计算机模拟X线与物质的相互作用
实验四
实验内容与方法
X线在空气中的传播路径和衰减规律
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。
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?Indirectly ionizing radiation uncharged particles
such as neutron and photons
5
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。
6
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
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 电子对效应
湮灭辐射光子
14
总结
15
总结
? ①在0.01 ～10MeV 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 0.8～4MeV时，无论 Z多大，康普顿效 应都占主导地位。
18
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。
19
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。
12
总结
?hv < Ei ?hv ≥ Ei ?hv >> Ei ?hv ≥ 2mec2 ?hv 很高
相干散射 光电效应
康普敦效应 电子对效应 光核反应
?总质量减弱系数
? ? ? ? ? ? ? ? ? p ? ? coh ?? ? ? ?
13
入射X线
直接透过
吸收和散射
光电子
光电吸收 俄歇电子
散射
3
?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。
4
辐射的类型
?Directly ionizing radiation
electrons protons α-particles other heavy charged particle
?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。
20
21
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
22
1.光电效应概念
? 能量为hν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。
?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。
9
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。
10
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。
11
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。
?大的hν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hν值。
? ②在20～100keV 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。
16
总结
?水、致密骨和NaI对20～100keV的光子能量 所发生的各种作用的百分数。
17
诊断放射学中作用几率与有效原子序数和能量的关系
X线 能量 keV
水（7.4） 骨（13.8） 碘化钠（49.8）
光 电 康普顿 光 电 康普顿 光 电 康普顿 （%） （%） （%） （%） （%） （%）
20 70 30 89 11 94 6
60 7 93 31 69 95 5
100 1 99 9 91 88 12
2
?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 。
X(或γ)射线与物质的相互作用
1
?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、α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。
?①与核外电子发生非弹性碰撞； ?②与原子核发生非弹性碰撞； ?③与原子核发生弹性碰撞； ?④与用
?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。
such as neutron and photons
5
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。
6
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
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 电子对效应
湮灭辐射光子
14
总结
15
总结
? ①在0.01 ～10MeV 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 0.8～4MeV时，无论 Z多大，康普顿效 应都占主导地位。
18
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。
19
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。
12
总结
?hv < Ei ?hv ≥ Ei ?hv >> Ei ?hv ≥ 2mec2 ?hv 很高
相干散射 光电效应
康普敦效应 电子对效应 光核反应
?总质量减弱系数
? ? ? ? ? ? ? ? ? p ? ? coh ?? ? ? ?
13
入射X线
直接透过
吸收和散射
光电子
光电吸收 俄歇电子
散射
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?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。
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辐射的类型
?Directly ionizing radiation
electrons protons α-particles other heavy charged particle
?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。
20
21
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
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1.光电效应概念
? 能量为hν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。
?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。
9
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。
10
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。
11
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。
?大的hν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hν值。
? ②在20～100keV 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。
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总结
?水、致密骨和NaI对20～100keV的光子能量 所发生的各种作用的百分数。
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诊断放射学中作用几率与有效原子序数和能量的关系
X线 能量 keV
水（7.4） 骨（13.8） 碘化钠（49.8）
光 电 康普顿 光 电 康普顿 光 电 康普顿 （%） （%） （%） （%） （%） （%）
20 70 30 89 11 94 6
60 7 93 31 69 95 5
100 1 99 9 91 88 12
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?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 。
X(或γ)射线与物质的相互作用
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?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、α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。
?①与核外电子发生非弹性碰撞； ?②与原子核发生非弹性碰撞； ?③与原子核发生弹性碰撞； ?④与用
?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。