【X线物理与防护】第二节 | X线的本质及其与物质的相互作用

文摘   2025-01-12 17:18   福建  



第三章  X线物理与防护


第二节 X线的本质及其与物质的相互作用
历年考点串讲

X线的本质与特性,X线与物质的相互作用等是X线物理的重要内容,是常考的细节。


重点复习


X线的本质与特性等内容。


常见的考题方式:


X线的波粒二象性,物理特性,光电效应、康普顿效应,各效应发生的概率等。


常考的细节:


1.X线与可见光、红外线、紫外线、γ射线完全相同,都是电磁波。

2.X线和其他电磁波一样具有波动和微粒的二重性,这是X线的本质。

3.X线物理特性有不可见性、非带电、穿透性、荧光作用、电离作用、热作用。

4.X线化学特性有感光作用和着色作用。

5.光电效应和康普顿效应的概念。

6.光电效应的产物有光电子(负离子)、正离子(产生光电子的原子)、特征辐射光子(新的光子)和俄歇电子。

7.光电效应发生概率大约和能量的三次方成反比。光电效应发生的概率和原子序数的四次方成正比。

8.光电效应在X线摄影中的意义。

9.康普顿效应的发生概率与物质的原子序数成正比,与入射光子的能量成反比,即与入射光子的波长成正比。

10.电子对效应的发生概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,也近似地与光子能量的对数成正比。

11.光子入射和散射方向的夹角称为散射角,即偏转角度。反冲电子的运动方向和入射光子的传播方向的夹角称为反冲角。

12.X线与物质的相互作用有光电效应、康普顿效应、电子对效应三个主要过程和相干散射、光核反应两个次要过程。在诊断x线能量范围内,只能发生光电效应、康普顿效应和相干散射,电子对效应、光核反应不可能发生。

13.在20~l00keV诊断X线能量范围内,只有光电效应和康普顿效应是重要的。


         

 

一、X线的本质与特性
(―)X线的本质

X线与可见光、红外线、紫外线、γ射线完全相同,都是电磁波,只不过X线的频率很高,约在3×1016~3×1020Hz之间,波长很短,约在10-3~10nm之间。

X射线的波长介于紫外线和γ射线之间。X线和其他电磁波一样具有波动和微粒的二象性,这是X线的本质。
         

 

1.波动性

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,其传播速度在真空中与光速相同,可以用波长,频率等来描述。

2.微粒性

X线的波动性不能解释X线的光电效应、荧光作用、电离作用等,只能用X线的粒子性做出解释。也就是按爱因斯坦的量子论,把X线束看为由一个个微粒即X线光子组成的。

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。所以说X线具有波粒二象性。
X线光子只有运动质量,没有静止质量。

(一)X线的特性

1.物理特性

(1)不可见:x线在真空中,是直线传播的不可见电磁波。

(2)非带电:x线不带电,它不受外界磁场或电场的影响。

(3)穿透性:x线能量高则穿透力强,反之则弱

(4)荧光作用:

荧光物质(磷、钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等)在X线照射下被激发, 当它们回到基态时释放出荧光。医疗上的荧光屏和增感屏即利用此原理。

(5)电离作用:

气体在X射线照射下也能被电离从而导电,电离室。盖革米勒计数器等都是根据这个原理制造的。

(6)热作用:

x线对物质的吸收,最终绝大部分都将变成热能,使物质产生温升,测定x线吸收剂量的量热法就是依据这个原理研究出来的。


2.化学特性  
 
(1)感光作用

x线和可见光一样,同样具有光化学作用,它可使胶片乳剂感光,能使很多物质发生光化学反映。

(2)着色作用:

某些物质,如铅玻璃、水晶等经x线长期大剂量照射后,其结晶体脱水渐渐改变颜色,称为着色作用或脱水作用。

3.生物效应特性
X线在生物体内也能产生电离及激发,也就是使生物体产生生物效应。
生物细胞特别是增殖性强的细胞,经一定量X线照射后,可产生抑制、损伤甚至坏死
如可用X射线来杀死某些敏感性强,分裂旺盛的癌细胞,以达到治疗的目的;
人体组织吸收一定量X线后,视其敏感程度的不同,而岀现种种反应,这个特性可在肿瘤放疗中得到充分应用,它是放射治疗的基础
当然X线对正常人体组织也可能产生损伤作用,故应注意对非受检部位和非治疗部位的屏蔽防护,同时射线工作者也应注意自身的防护。

二、X线与物质的相互作用
(—)光电效应

光电效应的定义

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

1.光电效应的产生条件及发生概率
入射光子的能量与轨道电子结合能必须“接近相等”(稍>)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。实际上光电效应发生概率大约和能量的三次方成反比,即:
光电效应概率

光电效应发生的概率和原子序数的四次方成正比,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。

3.光电效应在X线摄影中的意义 

光电效应不产生有效的散射,对胶片不产生灰雾。光电效应可增加X线的对比度。在光电效应中,因为光子的能量全部被吸收,使患者接受的剂量比任何其他效应都多,为减少对病人的照射,在适当的情况下,要釆用高能量的射线。

(二)康普顿效应

1.康普顿效应的定义

当一个光子击脱原子外层轨道上的电子或自由电子时,入射光子损失部分能量,并改变原来传播方向,变成散射光子(散射线),电子从光子处获得部分能量脱离原子核束缚,按一定方向射出,成为反冲电子,这个过程称为康普顿效应

光子入射和散射方向的夹角称为散射角,即偏转角度。反冲电子的运动方向和入射光子的传播方向的夹角称为反冲角一个光子被偏转以后能保留多大能量,由它的原始能量和偏转角度来决定,偏转的角度愈大,能量损失就愈多,光子波长就越长。 
   
2.康普顿效应的发生概率

康普顿效应的发生概率与物质的原子序数成正比,与入射光子的能量成反比,即与入射光子的波长成正比。

(三)电子对效应

1.电子对效应的定义

一个具有足够能量的光子,与靶原子核发生相互作用时,光子突然消失,同时转化为一对正、负电子,这个作用过程称为电子对效应。

2.电子对效应的产生条件 

一个电子的静止质量能1.02MeV根据能量守恒定律,要产生电子对效应,入射光子的能量就必须等于或>1.02MeV光子能量超过该能量值的部分就变为了正、负电子的动能()。

3.电子对效应的发生概率

电子对效应的发生概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,也近似地与光子能量的对数成正比。可见,该作用过程对高能光子和高原子序数物质来说才是重要的。

(四)相干散射

射线与物质相互作用而发生干涉的散射过程称为相干散射。相干散射包括瑞利散射、核的弹性散射和德布罗克散射。相干散射主要是指瑞利散射

瑞利散射是入射光子被原子的内壳层电子吸收并激发到外层高能级上,随即又跃迁回原能级,同时放出一个能量与入射光子相同,但传播方向发生改变的散射光子。这种只改变传播方向,而光子能量不变的作用过程称为瑞利相干散射

(五)光核反应

光核作用就是光子与原子核作用而发生的核反应。光核反应在医用电子加速器等高能射线的放疗中发生率也很低。

三、各种效应发生的相对概率
20~l00keV诊断X线能量范围内,只有光电效应和康普顿效应是重要的;相干散射所占比例很小,并不重要。若忽略占比例很小的相干散射,则在X线诊断中就只有光电效应和康普顿效应两种作用形式。

对低原子序数物质的水,光电效应呈迅速下降趋势,对高原子序数物质的碘剂,光电效应呈缓慢下降趋势,对中等原子序数物质的骨,光电效应介于两者之间。对20keV的低能X线,各种物质均以光电效应为主。掌握不同能量的X线对不同Z物质的作用类型和概率,对提高X线影像质量,降低受用剂量和优选屏蔽防护材料都有重要意义。    


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