1、曲靖醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校教 案 2017 至 2018 學(xué)年 第一 學(xué)期系 部 醫(yī)學(xué)技術(shù)系 教研室（實(shí)驗(yàn)室） 醫(yī)學(xué)影像教研室 課程名稱 放射物理與防護(hù) 授課班級 影像技術(shù)班 授課教師 楊粉 職 稱 講師 使用教材 放射物理與防護(hù) 教案編寫日期 2017.6 曲靖醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校教務(wù)處制教 案首頁授課時間 年 月 日 星期 節(jié)學(xué)時數(shù)授課章節(jié)第四章 X線與物質(zhì)的相互作用授課方式理論課 討論課 實(shí)踐課 習(xí)題課 其它教學(xué)目的（目標(biāo)）掌握：X（或）射線與物質(zhì)相互作用規(guī)律及光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)發(fā)生機(jī)制。熟悉：X射線與組織相互作用；窄束X射線及寬束X射線的概念及其在介質(zhì)中的衰變規(guī)律。了解：X（或）射

2、線與物質(zhì)作用規(guī)律在射線診斷、屏蔽防護(hù)中的應(yīng)用。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)1、教學(xué)重點(diǎn)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng) 2、教學(xué)難點(diǎn)：窄束X射線及寬束X射線的概念及其在介質(zhì)中的衰變規(guī)律教學(xué)方法多媒體示教+理論講解教材參考文獻(xiàn)高等醫(yī)藥院校教材（供醫(yī)學(xué)影像專業(yè)用） 第三版的放射物理與防護(hù)（主編：王鵬程，李迅茹），人民衛(wèi)生出版社；教 學(xué) 內(nèi) 容時間分配板書或旁注第一節(jié) 概述電子與物質(zhì)的作用形式，電離、激發(fā)、散射和軔致輻射。由帶電粒子通過碰撞直接引起物質(zhì)的原子或分子的電離稱為直接電離，這些帶電粒子稱為直接電離粒子。不帶電粒子通過它們與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的帶電粒子引起原子的電離，稱為間接電離。這些不帶電粒子稱為間接電離

3、粒子。 電離輻射與物質(zhì)的相互作用是X射線成像的物理基礎(chǔ)和電離輻射劑量學(xué)的基礎(chǔ)。一、X射線與物質(zhì)相互作用的幾率二、射線的衰減1、線衰減系數(shù)2、質(zhì)量衰減系數(shù)三、能量轉(zhuǎn)移和吸收1、能量轉(zhuǎn)移系數(shù)2、能量吸收系數(shù)高速電子還可以發(fā)生輻射性碰撞而產(chǎn)生韌致輻射，韌致輻射線與散射線又象原射線一樣繼續(xù)與物質(zhì)的原子作用。平均30次左右的相互作用，一個入射光子的全部能量都轉(zhuǎn)移給電子。X光子進(jìn)入生物組織后，光子能量在其中轉(zhuǎn)移、吸收，最終引起生物效應(yīng)。第2節(jié) X射線與物質(zhì)相互作用的主要過程X射線與物質(zhì)相互作用的主要過程包括：光電效應(yīng)(photoelectric effect)康普頓效應(yīng)(Compton effect)電子

4、對效應(yīng)(electronic pair effect）三種主要過程損失能量的絕大部分。其他次要過程有相干散射、光核反應(yīng)等。hv < Ei 相干散射 hv Ei 光電效應(yīng)hv >> Ei 康普敦效應(yīng)hv 2mec2 電子對效應(yīng)hv 很高 光核反應(yīng)1、 光電效應(yīng)概念能量為h的光子通過物質(zhì)時，與原子的內(nèi)層電子相互作用，將全部能量交給電子，獲得能量的電子擺脫原子核的束縛成為自由電子(光電子)，光子本身被原子吸收的作用過程稱為光電效應(yīng)。1、光電效應(yīng)放出光電子的原子所處的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，其電子空位很快被外層電子躍入填充，隨即發(fā)出特征X射線光子。特征X射線在離開原子之前，又將外層電子擊脫，

5、稱為“俄歇電子”。在人體組織中特征X射線和俄歇電子的能量低于0.5keV，這些低能光子和電子很快被周圍組織吸收。 1、光電效應(yīng)概念光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么呢？物質(zhì)吸收X射線使其產(chǎn)生電離的過程。由能量守恒定律知，發(fā)生光電效應(yīng)時，入射X射線光子能量h和光電子的動能Ee滿足關(guān)系： 式中EB為原子第i層電子的結(jié)合能，與原子序數(shù)和殼層數(shù)有關(guān)。2、光電效應(yīng)發(fā)生幾率（1）物質(zhì)原子序數(shù)的影響：光電效應(yīng)的發(fā)生與物質(zhì)的原子序數(shù)的4次方成正比。內(nèi)層電子比外層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率高4-5倍。（2）入射光子能量的影響：電子結(jié)合能容易發(fā)生光電效應(yīng)。如一個34keV的光子比100keV的光子更容易與碘的K層電子發(fā)生作用。光子

6、能量愈大光電效應(yīng)的發(fā)生幾率迅速減小，與光子能量的3次方成反比。（3）原子邊界吸收的影響:當(dāng)入射光子能量hv增加到某一數(shù)值恰好等于原子軌道電子結(jié)合能時，吸收系數(shù)突然增加，這些吸收突然增加處稱為吸收限。當(dāng)光子能量等于原子軌道K電子結(jié)合能時，發(fā)生K邊界限吸收；等于L結(jié)合能時，發(fā)生L邊界限吸收；等于M結(jié)合能時發(fā)生M邊界限吸收。 Ca是人體內(nèi)Z最高的主要元素，它的K特征輻射只有4 keV，遠(yuǎn)小于X線光子能量，在其發(fā)生后點(diǎn)幾毫米之內(nèi)就被吸收了。人體內(nèi)其它元素的特征輻射的能量更小(0.5 keV)。人體各組織由X線照射所產(chǎn)生光電效應(yīng)的特征輻射將全被組織吸收。3、光電子的角分布光電子的角分布與光子的能量有關(guān)，

7、當(dāng)光子能量很低時，光電子與入射方向成70°角射出的幾率最大。隨著光子能量的增加，光電子的分布逐漸傾向于前方（入射方向）。4、診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)（1）診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)，可從利弊兩個方面進(jìn)行評價。 （2）光電效應(yīng)能產(chǎn)生質(zhì)量好的照片影像，原因：1）不產(chǎn)生散射線，減少照片的灰霧；2）增加人體不同組織和造影劑對射線的吸收差別，產(chǎn)生高對比度的X射線照片。（3） 有害的方面是，入射X射線通過光電效應(yīng)可全部被人體吸收，增加了受檢者的劑量。在腫瘤治療中可增加劑量，提高療效。（4） 被檢者從光電效應(yīng)中接收的X線劑量比其他任何作用都多。一個入射光子的能量通過光電作用全部被人體吸收，在康普頓散射中

8、被檢者只吸收入射光子能量的一小部分。（5） 從全面質(zhì)量管理觀點(diǎn)講，應(yīng)盡量減少每次X射線檢查的劑量。二、康普頓效應(yīng)反沖電子，反沖角度散射光子，散射角度，頻率1 康普頓效應(yīng)的產(chǎn)生散射光子的能量隨散射角增大而減小，可得出康普頓散射中光子波長的改變?yōu)椋罕砻鲗τ诮o定的散射角，光子波長的改變與入射光子的能量無關(guān)。2、康普頓效應(yīng)的發(fā)生幾率實(shí)驗(yàn)和理論都可以準(zhǔn)確證明康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)的表達(dá)式為式中c2=c1N0是另一個常數(shù)。2、作用幾率若X射線光子通過單位距離的吸收物質(zhì)時，因康普頓效應(yīng)而導(dǎo)致的衰減稱為康普頓線性衰減系數(shù)，用符號“”表示；而康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)，用符號“/”表示。實(shí)驗(yàn)和理論都準(zhǔn)確地證明康普頓質(zhì)量衰減

9、系數(shù)與入射光子能量之間的關(guān)系可表示為： 3、診斷放射學(xué)中的康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)中產(chǎn)生的散射線是X線檢查中最大的散射線來源。在X射線診斷中，從受檢者身上產(chǎn)生的散射線其能量與原射線相差很少，并且散射線比較對稱地分布在整個空間，這個事實(shí)必須引起醫(yī)生和技術(shù)人員的重視，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。另外，散射線增加了照片的灰霧，降低了影像的對比度，但與光電效應(yīng)相比受檢者的劑量較低。三、電子對效應(yīng)概念：一個足夠能量的入射光子與原子核場發(fā)生相互作用，光子突然消失而轉(zhuǎn)化為一對正、負(fù)電子的過程。正電子與電子的質(zhì)量相等，所帶電量相等，性質(zhì)相反。正電子與電子一樣，在物質(zhì)中由于電離或激發(fā)逐漸耗盡其動能。慢化的正電子在停止前的

10、一剎那，很快與物質(zhì)中的自由電子復(fù)合，隨即向相反方面射出兩個能量各為0.511 MeV的光子，這個現(xiàn)象稱為湮滅(annihilation)輻射。原子核場中產(chǎn)生電子對效應(yīng)時，入射光子的能量h2m0c2(2m0c2=1.02 MeV)。電子對效應(yīng)在原子核場中發(fā)生的幾率，遠(yuǎn)大于在電子場中發(fā)生的幾率。設(shè)+、-分別表示正、負(fù)電子的動能，得：h2m0c2+- 式中正、負(fù)電子的動能不一定相等，其能量是從0到最大值為Eh2mc2的連續(xù)能譜。若X射線光子通過單位距離的吸收物質(zhì)時，因電子對效應(yīng)而導(dǎo)致的衰減稱為電子對線性衰減系數(shù)，用符號“p”表示；而電子對質(zhì)量衰減系數(shù)，用符號“p/”表示。實(shí)驗(yàn)證明，電子對質(zhì)量衰減系數(shù)

11、與原子序數(shù)和光子能量的關(guān)系可表示為：第3節(jié) X射線與物質(zhì)相互作用的其他過程相干散射也稱為經(jīng)典散射或瑞利散射。入射光子和束縛較牢固的內(nèi)殼層軌道電子發(fā)生彈性散射。在此過程中，一個束縛電子吸收入射光子躍遷到高能級，隨即又放出一個能量約等于入射光子能量的散射光子，但傳播方向發(fā)生改變。實(shí)際上就是x射線的折射。相干散射是X射線光子與物質(zhì)相互作用中唯一不產(chǎn)生電離的過程。在整個診斷X射線的能量范圍內(nèi)都有相干散射產(chǎn)生，不過所占比例很小，對輻射屏蔽的影響不大，但在總的衰減系數(shù)計算中要考慮相干散射的貢獻(xiàn)。光核作用所謂光核作用，就是光子與原子核作用而發(fā)生的核反應(yīng)。這是一個光子從原子核內(nèi)擊出數(shù)量不等的中子、質(zhì)子和光子的

12、作用過程。對不同物質(zhì)只有當(dāng)光子能量大于該物質(zhì)發(fā)生核反應(yīng)的閾能時，光核反應(yīng)才會發(fā)生。其發(fā)生率不足主要作用過程的5%。光核反應(yīng)在診斷X射線能量范圍內(nèi)不可能發(fā)生。在醫(yī)用電子加速器等高能射線的放療中發(fā)生率也很低。 第4節(jié) 各種作用發(fā)生的相對幾率1、 X射線引發(fā)效應(yīng)總結(jié) 直接透過入 光電子射 光電吸收 俄歇電子X 特征放射射 散射光子線 吸收和散射 散 康普頓散射射 相干散射 反沖電子 正電子、電子 電子對效應(yīng) 湮滅輻射光子二、Z和 與三種基本作用的關(guān)系診斷放射學(xué)中作用幾率與有效原子序數(shù)和能量的關(guān)系小結(jié) 射線在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用基礎(chǔ)是射線與組織的相互作用，在診斷X射線能量范圍內(nèi)，光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)所占的比例最大。光電效應(yīng)是一種全吸收