第三章 辐射与物质的相互作用

第三章 辐射与物质的相互作用§ 1 、辐射与物质的作用类型及能量损失§ 2 、电离辐射的生物学作用§ 3 、生物靶的调节作用§ 4 、影响电离辐射作用的主要因素

§1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失A. 辐射与物质作用的种类

一 . X（ γ ）射线与物质的作用二 . β 射线与物质的作用三 . α 射线与物质的作用四 . 中子与物质的作用五 . 带电重粒子与物质的作用

一.X (γ)

射线与物质的相互作

用

Ⅰ. 光电效应

Ⅱ. 康普顿效应Wmvhf 2

21 +

+

e

e

hf

hf hf ’eEhfhf '

Ⅲ. 电子对效应)()( 22

EcmEcmhf ee

EEMev02.1

+hf

Ze e-

e+

1 、 X 线与物质相互作用的过程

(1). 光电效应特征 放出光电子的原子变成正离子并处于激发态；外层电子向内层填充产生特征 X 线 ; 特征线离开原子前又击出外层 ( 俄歇 ) 电子 .

光电子、正离子、特征 X 光子、俄歇电子光电效应的次级粒子

Ⅰ. 光电效应 ( 光子与原子内层电子作用）

(2). 光电效应的发生几率a. 原子序数的影响 光电效应几率 Z4

内层比外层发生几率大 4~5 倍341 Z

Ac

m

3

1hf

但必须大于结合能c. 原子边界限吸收的影响

b. 入射光子能量的影响 光电效应几率

防护材料选取的依据

L 限K 限

吸收限 吸收限 光子能量

光电质量衰减系

数

Ⅰ. 光电效应 ( 光子与原子内层电子作用）

(3). 光电子的角分布 光 电 子 的 角分布与入射 X光子能量有关能量低 — 大角度分散能量高 — 小角度集中（电离方向）

Ⅰ. 光电效应 ( 光子与原子内层电子作用）

(4). 放射诊断学中的光电效应a. 优点 提高成像质量

b. 缺点 入射 X 线通过光电效应几乎全部被人放疗时增加对肿瘤组织的剂量因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾利用造影剂可增加对比度

Ⅰ. 光电效应 ( 光子与原子内层电子作用）

体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作用。

(1). 康普顿效应的发生几率a. 原子序数的影响 康普顿效应几率 Z/A 除氢元素外，大多数材料具有相同的 Z/A

ZAc

m2

hf1

b. 入射光子能量的影响 康普顿效应几率

Ⅱ. 康 普 顿 效 应 ( 与 原 子 外 层 电 子 作用）

nm2

sin00241.02 2o

Crystal grating

X-Ray o

（ > o ）康普顿 散射波长

spectra

o : 入射波长波长cm

h

e

(2). 散射光子的波长

hfo X

Y

v

hf

22oo mchfcmhf

coscoso

mvhh

sinsin0 mvh

2

2o

1cv

mm

考虑：

oo

cf cf

2sin2 2

oo

cmh

)nm(002426.0o

cm

h

Compton wavelength

electron

2sin21

'2

20

cm

hfhfhf

2/sin21 2

20

hfcm

hfEe

2)1( 2

o

tgcm

hfctg

(3). 散射光子和反冲电子的角分布

散射光子能量2

0

min 21)'(

cmhf

hfhf

反冲电子动能hfcm

hfEe

21

)( 20

max

散射角与反冲角关系

(3). 散射光子和反冲电子的角分布

注 : 康普顿效应的散射线，是 X 线检查中最大的散射线来源 , 且充满整个检查室空间。必须引起工作人员和防护人员的重视 , 并采取防护措施 .

hfnZm ln2

EEMevhf 02.1

效应发生几率

Ⅲ. 电子对效应

A. 相干散射2、 X 线与物质作用的其他过程

射线与物质相互作用而产生干涉 ( 衍射 ) 的散射过程叫相干散射。比如 X 线对年晶体衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象 . 相干散射是唯一不产生电离的过程。 光子与原子核作用发生核反应的过程。比如释放中子、质子、 β 粒子和 γ 光子等。光核作用在 X 线诊断过程中不能发生，在放疗中发生率也很低。

B. 光核作用

A.X 线引发效应总结3 、各种作用发生的相对几率

光核作用

普通散射

B.Z 和 hf 与三种作用的关系3 、各种作用发生的相对几率

C.放射诊断学中三种作用发生的相对几率表 2 放射诊断学中作用几率与 Z 和 hf 的关系

X 射线能量(KeV)

水（ Z=7.4) 骨（ Z=13.8) 碘化钠（ Z=49.8)

光电 (%) 康普顿(%)

光电 (%) 康普顿(%)

光电(%)

康普顿(%)

20 70 30 89 11 94 660 7 93 31 69 95 5100 1 99 9 91 88 12

3 、各种作用发生的相对几率

4. X (γ) 射线在物质中的衰减

当 X 线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度衰减。即物质所致的衰减。

射线在物质中的衰减 随距离衰减物质所致衰减22

21 cAI (W/m2)

21

1 4 rPI W

2

22 4 r

PI W

21

22

2

1

rr

II

A 、单能 X 线在物质中的衰减规律(1) 、窄束 X 线在物质中的衰减规律

4. X (γ) 射线在物质中的衰减

光子数表示则满足xeII 0 xII 0lnln

lnI

lnI0

xxeNN 0

光子数减少但频率不变！

（ μ=0.2 cm-1)

4. X (γ) 射线在物质中的衰减

A 、单能 X 线在物质中的衰减规律积累因子 : 某物质元中 X 光子计数率与未碰撞物质的 X 光子计数率之比 B。

(2) 、宽束 X 线在物质中的衰减规律

n

s

n

sn

n NN

NNN

NNB

1

Ns: 物质元散射 X 光子计数率B 是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量 宽束 X 线的衰减规律

xeBII 0

B 可以通过台劳级数展开近似计算求得 xB 1

4. X (γ) 射线在物质中的衰减

B 、连续 X 线在物质中的衰减规律(1) 、连续 X 线在物质中的衰减规律 nIIII 21

xn

xx neIeIeII 0020121

4. X (γ) 射线在物质中的衰减

光子数

水模厚度

单能 X 线连续 X 线

4. X (γ) 射线在物质中的衰减B 、连续 X 线在物质中的衰减规律

(1) 连续 X 线在物质中的衰减规律 nIIII 21

xn

xx neIeIeII 0020121

影响因素

(2)、 X 线的滤过 低能 X 线不能透过人体 ( 吸收 ) ，对形成 X线影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分，使平均能量增高。

4. X (γ) 射线在物质中的衰减B 、连续 X 线在物质中的衰减规律

(2)、 X 线的滤过 a 、固有滤过 包括 X 线管的玻璃管壁、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板。用铝当量表示。 铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰减效果的铝板厚度表示。一般诊断 X 光机的固有滤过在 0.5 ~ 2 mmAl。

对软组织摄影则需要低滤过 X 线 ,以增加软组织对比度 .

4. X (γ) 射线在物质中的衰减B 、连续 X 线在物质中的衰减规律

b 、附加滤过 包括附加滤过板、遮光器的滤过等。根据衰减厚度能量分布不同 ,依具体情况选择管电压和材料形状厚度

4. X (γ) 射线在物质中的衰减

滤过板厚度及对照射剂量的影响

使用低滤过高千伏摄影 ,对受检者十分有害 . 而厚度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义 .

铝板厚度 (mmAl) 皮肤照射量 (C/kg) 照射量下降百分数(%)

00.51.03.0

6.14×10-4

4.78 ×10-4

3.28 ×10-4

1.20 ×10-4

0224780

4. X (γ) 射线在物质中的衰减B 、连续 X 线在物质中的衰减规律

楔形或梯形滤过板

4. X (γ) 射线在物质中的衰减B 、连续 X 线在物质中的衰减规律

C 、诊断放射学中 X 线的衰减(1) 、人体的构成元素和组织密度

人体内除少量的钙、磷等中等原子序数物质外，其余全由低原子序数物质组成。人体吸收 X 线最多的是由 Ca3(PO4)2组成的门牙，吸收 X 线最少的是充满气体的肺。

4. X (γ) 射线在物质中的衰减

C 、诊断放射学中 X 线的衰减 有效原子序数：在相同照射条件下 ,1kg复杂物质与 1kg单质吸收辐射能相同时单质的原子序数。

ai为第 i 种元素在单位体积中电子数的占有比率 , Zi为第 i 种元素的原子序数。如水中 : 氧的电子数比率 2.68:3.34 ，氢的电子数比率 0.66:3.34 。氧、氢的原子序数分别为 8 和 1 ，所以

94.21

94.2 ii ZaZ 42.7

4. X (γ) 射线在物质中的衰减

C 、诊断放射学中 X 线的衰减 有效原子序数的近似公式为

ai为第 i 种元素原子在分子中的原子个数， Zi为第 i种元素的原子序数。如水中：氧原子个数为 1 ，氢原子个数为 2 ，所以占有人体大部分成分的水有效原子序数为

31

2211

4422

411

nn

nn

ZaZaZaZaZaZaZ

43.781128112

3/144

Z

4. X (γ) 射线在物质中的衰减

C 、诊断放射学中 X 线的衰减(2)、 X 线通过人体的衰减规律

人体各组织器官 X 线的衰减各异，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大到小排列。而随管电压 (hf) 增加衰减减小。

341 ZAc

以光电效应吸收为主

4. X (γ) 射线在物质中的衰减

C 、诊断放射学中 X 线的衰减 以手部拍片为例，说明 X 线在人体不同组织中的衰减差别及与管电压的关系。用 40kV拍片

1.6104012.0104434.2

2

2

骨肌肉

而用 150kV拍片 1.2101842.0103918.0

2

2

骨肌肉

衰减差别大，形成高对比度

4. X (γ) 射线在物质中的衰减(2)、 X 线通过人体的衰减规律

表 5 人体不同组织的线衰减系数 μ(m-

1)管电压 (kV) 脂肪 (×102) 肌肉 (×102) 骨骼 (×102)

405060708090100110120130140150

0.33930.26530.21960.20090.19050.18320.18010.17740.17550.17420.17320.1724

0.40120.29330.24550.22130.20760.19940.19420.19060.18820.18640.18520.1842

2.44341.41790.96770.73420.60470.54080.48650.45300.42980.41320.40100.3918

二、其他射线与物质的作用 β 射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易被其他电子所偏转，所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其径迹长度。在 β 射线径迹的末端 , 电离密度最大，这是由于此时电子能量已显著降低，速度减慢 , 与靶物质原子作用几率加大 , 单位距离内形成的离子对增多。

1. β 射线与物质的作用

二、其他射线与物质的作用

在临床上使用直线加速器发生的高能电子流照射组织时，主要的电离作用产生在深部，而 90Sr 放射源放出的 β 射线则在浅层（ 1~2mm ）引起最大电离作用。射程长短取决于电子能量的大小。

1. β 射线与物质的作用

二、其他射线与物质的作用

α 射线即氦核组成的粒子流，由 2 个质子和 2 个中子组成，故带有 2 个正电荷，质量数为 4 ，比电子质量大约 8000 倍。 α粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米。故 α 射线由外照射对机体不会产生严重危害。

2. α 射线与物质的作用

二、其他射线与物质的作用

但发射 α 粒子的放射性核素进入体内时，由于其物理特征，其电离密度较大，造成的损伤则更为严重。此外，放射性治疗中用快中子或负 π介子照射组织时，在组织中将产生 α 粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。

2. α 射线与物质的作用

二、其他射线与物质的作用 中子不带电 , 通过组织时不干扰带电物质 ,只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用 . 但慢中子或热中子 ( 能量在 0.5eV以下 ) 进入原子核易被俘获 , 而快中子 ( 能量大于 20keV) 与原子核主要发生弹性碰撞 . 在中子与质子 ( 氢核 ) 的一次碰撞中 , 中子的部分能量传给质子 , 产生反冲质子 ,这种带正电重粒子在组织中速度很快下降 , 引起高密度电离作用。

3. 中子与物质的作用

二、其他射线与物质的作用

中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作用可引起非弹性散射产生 γ 射线。此外 , 中子与物质的原子核作用还会产生核反应 , 在反应过程中释放带电重粒子、 γ 光子或产生放射性核素。

3. 中子与物质的作用

二、其他射线与物质的作用

快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高能加速器还可将重粒子加速，使其具有穿透深部组织的能力。例如，质子、氦核、负 π介子等可在数厘米深处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用

4. 带电重粒子与物质的作用

二、其他射线与物质的作用

关于负 π介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的关注 . 负 π介子属于亚原子粒子 ,其质量为电子的 276 倍 , 电荷同于电子 , 由同步回旋加速器将质子加速到极高能量 (500~ 700MeV) 而作用于石墨或铅靶时产生 .当其穿入组织被碳、氧、氢等原子核捕获 , 释放 α 粒子、中子和质子 , 产生高密度电离作用。

4. 带电重粒子与物质的作用

§1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失B.传能线密度与相对生物效应一 . 传能线密度（ LET）定义 带电粒子在组织 (或其他物质 ) 中经过一定距离时由于碰撞而损失的能量 .(J/m)

2

2

LETvQ

生物损害与 LET值正相关。高 LET 粒子在给定体积内产生变化的几率高，但并非无限增加。

§1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失B.传能线密度与相对生物效应一 . 传能线密度（ LET）

γ 线硬 X 线软 X 线

α 线细胞或生物大分子

粒子种类 电荷 能量 (MeV) LET(GeV/m)电子

光子质子

α 粒子

中子 ( 间接 )

-1

+1

+2

0.010.10.11

200kV( 电子击出 )X线60Co γ 线

小2510小3.45

2.514.1

12.32.3

0.420. 25

0. 4~360.2~2

921684

26014095

15~80(峰值 20)3~30 (峰值 7)

各种电离粒子的LE

T

值

§1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失B.传能线密度与相对生物效应二 . 相对生物效应（ RBE） 辐射生物效应不仅决定于辐射条件 ,还受能量分布的制约 .LET决定了生物效应的程度或频度 .这种差别用相对生物效应表示 .(RBE)

标准 X(γ) 线常以 250kV X 线或 60Co的 γ 线为基础 . 比如引起相同生物损害所需 X(γ) 线剂量是 α射线的 10 倍 ,故 α射线的 RBE为 10 。

生物效应所需吸收剂量研究电离辐射引起相同所需吸收剂量射线引起某种生物效应标准 )(RBE X

§1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失B.传能线密度与相对生物效应二 . 相对生物效应（ RBE）

辐射种类 相对生物效应X 、 γ 射线

β 粒子热中子

中能中子快中子α 粒子

重反冲核

113

5~8101020