x射线与物质的相互作用包括

1. x射线与物质的相互作用包括

射线与物质的相互作用主要有三种过程：光电效应、康普顿效应和电子对的产生。
这三种过程的共同点是都产生电子， 然后电离或激发物质中的其他原子；此外，还有少量的汤姆逊效应。光电效应和康普顿效应随射线能量的增加而减少，电子对的产生则随射线能量的增加而增加，四种效应的共同结果是使射线在透过物质时能量产生衰减。

2. x射线与物质相互作用可以产生哪些效应？

X射线与物质相互作用有：光电效应、康普顿效应、电子对效应
   a.光电效应
      光子将能量全部交给原子的一个轨道电子（内层电子），光子本身消失，电子摆脱束缚成为高能自由电子，此过程为光电效应。
     （1）不产生散射线，减少照片的灰雾。
     （2）增加人体不同组织和造影剂对X射线的吸收差别，利于提高诊断准确性。
   b.康普顿效应
      光子将部分能量交给原子中束缚较松弛的电子（外层电子），光子本身能量减少而成θ角度改变运动方向，称康普顿散射光子；电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿电子或称反冲电子。
     （1）散射线引起图像灰雾效果。
     （2）需对散射线采取防护（使用滤线栅可以减小散射线影响）
   c.电子对效应
       光子有足够的能量避开与电子云的相互作用，，接近到原子核，在核力场与光子的相互作用下使光子消失，而转化为一对正、负电子，这就是电子对效应。

3. X射线与物质的相互作用

X射线照射在物质表面上，主要会产生吸收和散射两种效应。固体物质可以吸收一部分射线，并可以使X射线在固体表面发生散射，使X射线的强度衰减。
X射线的衰减主要是由吸收效应引起的，被吸收的X射线的能量又转变成次级效应的光电子、二次X射线和热量等(图10.2)。

图10.2 X射线与物质的相互作用

10.1.2.1 X射线的吸收
当X射线的强度和样品的厚度一定时，样品对X射线的吸收主要取决于样品的吸收系数。当入射X射线的波长等于某一特定值时，吸收系数发生突变。各种元素吸收系数突变时的波长称为吸收限。欲从给定元素原子的特定能级上逐出电子，所需的原级X射线波长应小于此元素该能级的吸收限，即大于使特定能级电子被逐出时所需的最小能量，波的能量与波的波长成反比。原级X射线(连续X射线，能量范围广)照射到样品表面时，除去极小的一部分被样品表面散射外，大部分被样品中的元素吸收，并放射出相应的荧光X射线。
当一束平行的X射线垂直入射并穿过一层密度均匀的物质层时，强度将减弱。减弱的原因有散射作用和光电效应。
I=I0e-μt
式中：I为透射线强度；I0为入射线强度；μ为线衰减系数；t为穿透厚度。
该公式为X射线强度衰减公式，表示X射线束通过物质层时，强度的减弱服从指数衰减规律，这是X射线荧光定量分析的基础。
10.1.2.2 X射线的散射与衍射
X射线的散射可分为非相干散射和相干散射。
非相干散射：X射线光子与固体原子中束缚较松弛的电子做非弹性碰撞时，光子把部分能量传给电子，光子能量降低且改变方向，散射的X射线波长变长，此种散射射线周期与入射线无确定关系，形成连续的背景，对测量不利。
相干散射：X射线光子与固体原子中束缚较紧的电子做弹性碰撞时，散射X射线与入射X射线方向不同，强度相同，无能量损失，相干散射是衍射的基础。
相干散射发生在晶体表面。晶体原子存在周期性的三维空间点阵结构，点阵的周期与入射射线具有同一数量级，因此晶体可作为衍射X射线的光栅。
如图10.3所示，在B点入射的X射线比在A点入射的X射线的反射线的光程多DB+BF距离，由图可知DB=BF=dsinθ。根据衍射条件，只有光程差为波长的整数倍时，电磁波才能相互加强，出现衍射现象。因此，发生衍射的条件为
nλ=2dsinθ
式中：θ为衍射角(°)；n 为衍射级数；d 为晶体的晶面间距(Å)；λ 为 X 射线波长(Å)。该式即为著名的布拉格衍射方程，是X射线分析方法的基础。

图10.3 晶体衍射示意图

布拉格衍射方程可以应用到以下两个方面:
1)用已知波长的X射线照射晶体，测定衍射角θ，可用来鉴别晶体的结构种类。
2)用已知晶面间距d的晶体，测定待测样品荧光X射线发生衍射时的衍射角θ，可求出X射线的波长，不同元素的荧光X射线波长不同，从而可判断是何种元素发出的荧光X射线，进而确定样品中含有的元素。
由于不同元素的荧光X射线的波长λ不同，当我们改变晶体的衍射角时，可将含有不同元素的荧光X射线分离，可分别测定每一种元素的荧光X射线强度。

4. x射线与物质相互作用可以产生哪些效应

X射线与物质相互作用有：光电效应、康普顿效应、电子对效应
   a.光电效应
      光子将能量全部交给原子的一个轨道电子（内层电子），光子本身消失，电子摆脱束缚成为高能自由电子，此过程为光电效应。
     （1）不产生散射线，减少照片的灰雾。
     （2）增加人体不同组织和造影剂对X射线的吸收差别，利于提高诊断准确性。
   b.康普顿效应
      光子将部分能量交给原子中束缚较松弛的电子（外层电子），光子本身能量减少而成θ角度改变运动方向，称康普顿散射光子；电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿电子或称反冲电子。
     （1）散射线引起图像灰雾效果。
     （2）需对散射线采取防护（使用滤线栅可以减小散射线影响）
   c.电子对效应
       光子有足够的能量避开与电子云的相互作用，，接近到原子核，在核力场与光子的相互作用下使光子消失，而转化为一对正、负电子，这就是电子对效应。

5. X射线与物质的相互作用及吸收

(一)X射线与物质的相互作用
特征X射线是一种低能电磁辐射，它与物质的相互作用形式与γ射线相类似，但由于其能量较低，所以与γ射线稍有不同。其主要作用是光电效应、相干散射和非相干散射，不会发生电子对效应。
1.光电效应
X射线的光电效应是X射线一次将全部能量交给原子，X射线本身消失。在原子核的参与下，进行能量分配，一部分用于克服轨道电子的结合能，其余全部作为电子的动能，放出光电子，这一现象在低能电磁辐射与物质作用时占有重要的地位。
2.散射效应
X射线的散射效应是X射线与核外电轨道电子作用，在作用过程中并没有将全部能量转移给电子，其间有两种情况可能出现。
(a)非相干散射或称为康普顿散射，这是X射线与核处轨道电子发生的非弹性散射，X射线将部分能量转移给电子，使轨道电子获得足够的能量克服其结合能而冲出原子，形成反冲电子，而X射线损失部分能量并改变运动方向。
(b)相干散射，包括汤姆逊散射和瑞利散射，这是X射线与电子的弹性散射，在光子能量较低和靶物质的原子序数较大时，相对于康普顿散射而言，这种散射占有比较大的优势，这一现象可以解释为X射线作为一种电磁辐射，在与核外电子作用时，迫使轨道电子按其频率振动，然后发射与原入射电磁辐射频率相同的电磁辐射。从宏观现象看，则表现为入射X射线改变传播方向，而波长或能量不变。
(二)X射线的吸收与跃变
X射线与物质作用产生光电效应、散射效应，使X射线强度随介质层厚度的增加而逐渐减弱。对于单能量的X射线来说，通过均匀层时X射线强度随吸收物质的厚度增加将按指数规律衰减：

放射性勘探方法

式中：d为吸收物质层的厚度，cm；μ为吸收系数，表示X射线通过1cm厚度物质被吸收的几率，cm-1；I为X射线经过厚度d物质层后剩余的X射线强度；I0为起始X射线强度。
当X射线强度衰减为入射X射线强度一半时的物质的厚度称半吸收厚度。即  =  ，d1/2为半吸收厚度。
根据定义，我们可以计算出半吸收厚度的表达式：  。表4-4列出了几种能量的X射线在若干物质中的半吸收厚度。

表4-4 列出几种能量的X射线在若干物质中的半吸收厚度

 定义为质量吸收系数，cm2/g，ρ为吸收物质的密度，g/cm3；上述公式可以写成

放射性勘探方法

式中dm为面密度，g/cm2；
X射线与物质相互作用，会使X射线能量减弱，这种作用的几率也可用原子截面表示，符号为μa，表示单位面积上每个原子对光子的吸收几率，即

放射性勘探方法

式中：A为相对原子质量；L为阿伏伽德罗常数(6.023×1023)；N为单位体积吸收物质中的原子数。
总吸收系数等于光电吸收系数、相干散射和非相干散射系数之和：
μ=τ+(σin+σcoh)
μm=μ/ρ=τ/ρ+(σin/ρ+σcoh/ρ)
多元素组成的混合物、化合物和混合溶液的总的有效质量吸收系数，可用下列方法求得：

放射性勘探方法

式中：CA，CB，CC……分别为混合物中A，B，C……各元素的质量浓度；(μ/ρ)A，(μ/ρ)B，(μ/ρ)C……各元素的质量吸收系数；Ci和(μ/ρ)i分别为第i元素质量浓度和质量吸收系数。
如果是单一成分的矿石，只有一个质量浓度CA的待分析元素A，则有下式一个特殊形式，总质量吸收系数为

放射性勘探方法

以上讨论的只是对单能X射线才是正确的。如果入射到混合物上的是多能量X射线，实验证明，可以对多能量X射线求取一个有效能量。于是，在计算质量吸收系数时，可以当作单能进行处理。
实验证明,每个元素的质量吸收系数为 X 射线光子能量 (或波长)的函数,其图形称为X射线吸收谱,如铅 (Z=82),锡 (Z=50)、铜 (Z=29)和硅 (Z=14)的吸收谱示于图4-4。在图中同时给出了光电吸收截面 (τPH)。相干散射截面 (σcoh)和非相干散射截面 (σin)曲线。三者之和为 X 射线的吸收光谱。在图中清楚地表明总的吸收曲线和光电吸收曲线几乎一致的,只是在比较高能量时才明显地分开。
吸收曲线(图4-4)的另一个特点是K、LⅠ、LⅡ、LⅢ和MⅠ、MⅡ、MⅢ、MⅣ、MⅤ处出现吸收截面的跃变，称为吸收限或临界能量(临界波长)。它表示逐出原子某壳层电子所需要的最小能量，即等于(4-3)式所示的电子结合能。因此，每个原子壳层有一个K层吸收限(Kab)；三个L层吸收限(LⅠab、LⅡab、LⅢab)，五个M层吸收限(MⅠab、MⅡab、MⅢab、MⅣab、MⅤab)等。在这些吸收限跃变中最突出的跃变差大的是Kab，即近核的K层临界吸收能量最大，依次向外是EKab>ELab>EMab>……见附录4。

6. 射线与物质的相互作用

11.6.1 α粒子与物质的相互作用
11.6.1.1 电离和激发
电离和激发是α粒子与物质相互作用的主要形式。α粒子（）质量较大，因而速度比光速低得多。α粒子穿过物质时，主要是与物质原子中的壳层电子作用，使之获得能量。如果电子获得的能量大于它的电离能，它将脱离原子而成为自由电子，而原子则变成带正电的离子，电子和正离子组成离子对，这个过程称为电离。由原始入射粒子产生的电离称为原电离。当原电离产生的自由电子仍具有较高的能量时，还会再次与壳层电子作用，产生次级电离。如果壳层电子获得的能量不足以克服原子对它的束缚，它就只能跃迁到较高的能级，使原子处于激发态，这种效应称为激发。
带电粒子在单位路程上形成的离子对数目称为电离比度，以n表示（单位为对／cm）。在同一物质中，电离比度与α粒子的速度有关。α粒子速度愈大，它与原子壳层上的电子传递能量的时间就愈短，电离机会就少，因而电离比度也就小，反之亦然。
带电粒子在物质中平均形成一对离子时所消耗的能量称为平均电离能，以表示，则

勘查技术工程学

式中E为带电粒子的初始能量；N为带电粒子被完全阻止时形成的总离子对数。不同能量的α粒子在同一物质中的平均电离能是相同的，例如α粒子在空气中的平均电离能为34 eV。相同能量的α粒子的平均电离能随物质的不同而异。
带电粒子进入物质后，因使原子电离或激发而在单位路程上损失的平均能量称为电离损失率（单位为MeV/cm），用（-dE/dx）ion表示，则有

勘查技术工程学

式中负号表示能量的减少。
11.6.1.2 α粒子的射程
带电粒子与物质作用时会逐步损失能量，并最终被物质吸收。通常把带电粒子在物质中从能量为E0的那一点开始，直至能量耗尽最终停下来所经过的距离，称为带电粒子在物质中的射程。射程可以以物质厚度（cm）为单位，也可以以面密度（g/cm2）为单位。用后者表示射程时，与吸收介质的密度无关，使用起来更方便。
应当指出，射程和路程是不同的概念，射程是指入射粒子从入射点至终止点的直线距离，而路程则是粒子在物质中经过的实际径迹长度。α粒子与物质中原子的壳层电子碰撞时，由于其质量比电子质量大得多，因此它基本上不会改变其运动方向。此外，它在物质中被原子核散射的几率也很小。所以α粒子在物质中的径迹几乎是一条直线，径迹长度与射程近于相等。
α粒子的射程与物质密度、温度、压力及初始能量有关。能量为4～7 MeV的α粒子在15℃、1.01×105 Pa的空气中的射程R空可采用以下经验公式表示

勘查技术工程学

式中R空的单位为cm，能量E的单位为MeV。
11.6.2 β粒子与物质的相互作用
11.6.2.1 电离和激发
与α粒子相似，β粒子（电子和正电子）通过物质时也会使原子电离或激发，产生许多离子对。在能量相同的情况下，β粒子的速度比α粒子速度大得多，因而其电离比度小，电离损失率也小，穿透物质的本领也强。
11.6.2.2 轫致辐射
高速β粒子掠过原子核附近时，会受到核库仑力的阻滞而急剧减速，其动能将以电磁辐射的形式释放出来，这种辐射称为轫致辐射，轫致辐射产生的射线称为轫致伦琴射线。
带电粒子进入物质后，因轫致辐射在单位距离上损失的能量称为辐射损失率，以（-dE/dx）rad表示，有

勘查技术工程学

式中E和m分别为带电粒子的能量和质量，Z为物质的原子序数，N为单位体积内靶物质的原子核数。
由上式可见，辐射损失与物质原子序数的平方成正比。这表明，电子打到重元素上容易发生轫致辐射，所以常用低原子序数的介质去屏蔽β射线。同时，辐射损失还与入射粒子质量的平方成反比，因此电子的辐射损失比重带电粒子（α粒子、质子等）大得多。一般重带电粒子产生的轫致辐射损失的能量可忽略不计。
11.6.2.3 弹性散射
β粒子质量很小，在原子核的库仑场作用下，其运动方向会发生改变，但并不损失能量，这个现象称为弹性散射。能量大于10 MeV的β粒子在物质中改变运动方向，主要是弹性散射的贡献。β粒子在前进的路上可能发生多次散射，因此，其径迹是一条不规则的折线（图11-13）。

图11-13 β粒子通过物质的径迹

11.6.2.4 吸收及湮灭
β粒子与物质作用时，由于电离损失、辐射损失以
及散射而损耗能量。当其能量耗尽时，电子就停止下来，或者附着在原子上，使之变成负离子；或者与正离子结合，使之成为一个原子。这些过程都表明电子不再存在，而被物质吸收了。正电子则在其能量与周围物质达到热平衡时，被壳层电子吸引，继而很快与其中一个电子相遇而发生湮灭，并放出两个或三个光子。
由于吸收作用，β射线在物质层中按指数衰减，即

勘查技术工程学

式中I0和I分别为入射β射线和通过物质层后β射线的计数率；d为物质层厚度（单位为cm），μ为物质的吸收系数（单位为cm-1）。
β射线通过具有一定厚度的β放射层时，同样会被吸收，这种现象称为放射层的自吸收。由于自吸收作用，在放射层表面测到的β计数率将不会随放射层厚度的增加而呈线性增长。
β粒子在物质中的径迹为折线，故其射程不像重带电粒子那样确切。
11.6.3 γ粒子与物质的相互作用
γ光子是一种不带电粒子，因而γ光子通过物质时，一般不会使物质中的原子电离或激发，与电子或原子核碰撞的几率也很小，但碰撞一次就会损失其大部或全部能量。γ光子的静止质量为零，因此γ光子除能穿透物质外，还能在物质中被吸引或散射。
11.6.3.1 γ光子与物质作用的主要方式
1）光电效应。低能量（-7s，固体中约10-10s），它很快被物质中的电子结合而湮灭，并放出一对能量为0.51 MeV、方向相反的γ光子。

图11-15 康普顿效应


图11-16 电子对效应

11.6.3.2 γ射线在物质中的衰减
由于γ光子同物质发生三种效应而损失了能量，因而通过物质后的γ射线同样会被衰减。衰减的程度可用吸收系数μ表示，且有

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式中τ为光电吸收系数，σ为康普顿吸收系数，χ为电子对吸收系数。
单色窄束γ射线在物质中的衰减服从指数规律，即

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式中：d为物质层厚度（cm）；I0和I分别为入射γ射线和通过物质层后γ射线的计数率。μ（cm-1）的大小与γ射线的能量和吸收物质的密度ρ（g/cm3）有关，密度愈大，单位体积中原子、电子数愈多，γ射线衰减愈快，μ就愈大。为方便起见，常用质量吸收系数μm（cm2／g）来描写γ射线在物质中的衰减程度，μm=μ／ρ，它与物质密度和物理状态无关。这时（11.6-7）式可写成如下形式

勘查技术工程学

式中：dm称为物质层的面密度或质量厚度（g/cm2），dm=ρd。
单色宽束γ射线通过物质时，其衰减不服从指数规律。这是因为探测器所记录的宽束射线中只有部分γ光子是经康普顿散射后穿出物质层的。因此通过物质层后的γ射线其强度比按（11.6-7）式计算出来的大。这表明，宽束γ射线的吸收系数比窄束γ射线的小。为克服这种因测量条件不同而导致的实测吸收系数与理论吸收系数的差异，实际工作中常用有效吸收系数表示γ射线的衰减程度，即

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用代替（11.6-7）式中的μ，则宽束γ射线的衰减仍可等效成窄束γ射线的衰减，于是有

勘查技术工程学

式中：称为物质层的有效质量吸收系数，/ρ。
γ射线通过γ放射层时，由于自吸收作用，会使计数率不随放射层厚度增加而呈线性增长。

7. 射线与物质的相互作用

放射性同位素放射出的射线碰到各种物质的时候，会产生各种效应，它包括 射线 对物质的作用和物质对射线的作用两个相互联系的方面。例如，射线能够使照相底片 和核子乳胶感光；使一些物质产生荧光；可穿透一定厚度的物质，在穿透物质的过程中，能被物质吸收一部分，或者是散射一部分，还可能使一些物质的分子发生电离； 另外，当射线辐照到人、动物和植物体时，会使生物体发生生理变化。射线与物质的 相互作用，对核射线来说，它是一种能量传递和能量损耗过程，对受照射物质来说， 它是一种对外来能量的物理性反应和吸收过程。

各种射线由于其本身的性质不同，与物质的相互作用各有特点。这种特点还常与物质的密度和原子序数有关。α射线通过物质时，主要是通过电离和激发把它的辐射能量转移给物质，其射程很短，一个1兆电子伏（1MeV）的α射线，在空气中的射程 约1.0<厘米，在铅金属中只有23微米（um），一张普通纸就能将α射线完全挡住，但α射线的能量能被组织和器官全部吸收。
β射线也能引起物质电离和激发，与α射线 的能量相同的β射线，在同一物质中的射程比α要长得多，如>1MeVrβ射线，在空气 中的射程是10米，高能量快速运动的β粒子，如磷－，能量为1.71MeV遇到物质，特别是突然被原子序数高的物质（如铅，原子序数为82）阻止后，运动方向会发生改变，产生轫致辐射。轫致辐射是一种连续的电磁辐射，它发生的几率与β射线的能量 和物质的原子序数成正比，因此在防护上采用低密度材料，以减少轫致辐射。

β射线能被不太厚的铝层等吸收。γ射线的穿透力最强，射程最大，1MeV的r射线在空气中的射程约有米之远，r射线作用于物质可产生光电效应、康普顿效应和电子对效应，它不会被物质完全吸收，只会随着物质厚度的增加而逐渐减弱。

8. γ射线与物质的相互作用的γ射线基本性质

γ射线是一种强电磁波，它的波长比X射线短，一般波长<0.001nm。在原子核反应中，当原子核发生α、β衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是γ射线。γ射线起源于原子核能量状态变化过程；X射线起源于原子核外电子能量状态变化过程；湮没辐射起源于正负电子的结合；轫致辐射起源于带电粒子的加速运动，这些辐射能量各不相同，但同属电磁辐射，也满足 Ε=hν。γ射线与物质的相互作用机制属于全或无相互作用，不同于α、β射线的多次小相互作用，γ射线穿透物质后强度减小但能量几乎不降低，α、β射线穿透物质后强度减小，能量也降低。γ射线具有极强的穿透本领。人体受到γ射线照射时，γ射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。