射线与物质：探索相互作用

【学习目标】

1.熟悉射线与物质发生的各种相互作用。

2.掌握射线与物质发生各种相互作用的相对概率。

当X射线、γ射线射入物质后，将与物质发生复杂的作用，这些作用从本质上说是光子与物质原子的相互作用，包括光子与原子、电子及自由电子、原子核的相互作用。其中主要的作用有光电效应、康普顿散射、电子对效应和瑞利散射，由于这些作用，一部分射线被物质吸收，一部分射线被散射，使得穿透物质的射线强度减弱。

一、光电效应

当光子与物质原子的内层束缚电子作用时，光子与原子中的轨道电子发生弹性碰撞，光子的全部能量传递给轨道电子，使这个电子脱离轨道发射出去，而光子本身消失，这一现象称为光电效应。光电效应发射出的电子称为光电子。光电效应过程如图1-5所示。

光电效应的产生条件：入射光子的能量必须大于电子的结合能，光子只能与原子内层电子作用，而不能与自由电子相互作用，以保持动量守恒。

发生光电效应时，从内壳层打出电子，在此壳层上留下空位，并使原子处于激发态，原子从激发态过渡到稳定状态有两种过程：一种是外壳层电子向内层跃迁，填补空位，释放出能量，这种能量产生标识X射线（又称为次级X射线、荧光X射线）；另一种是原子的激发能交给外壳层电子，使电子从原子中发射出去产生俄歇电子。因此，发生光电效的同时，还伴随发射标识X射线和俄歇电子。

图1-5 光电效应示意图

光电效应发生的概率随光子能量的增大而减小，随着原子序数Z的增大而增大。

二、康普顿散射

光子与物质原子核的外层电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子自身能量减少，波长变长，改变运动方向成为散射光子；电子获得光子一部分能量成为反冲电子，这一过程称为康普顿散射，如图1-6所示。θ为散射光子与入射光子方向间的夹角，称为散射角；φ为反冲电子的反冲角。

康普顿散射只作用于原子核外束缚较小的外层电子或自由电子。入射光子的能量在反冲电子和散射光子之间进行分配，散射角越大，散射光子的能量越小，当散射角为180°时，散射光子的能量最小。

康普顿散射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。

三、电子对效应

当光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，光子转化为1个正电子和1个负电子，这个过程称为电子对效应，如图1-7所示。

图1-6 康普顿散射示意图

图1-7 电子对效应示意图(www.xing528.com)

电子对效应的产生条件：只有入射光子的能量大于1.022MeV时，才能产生电子对效应。电子对的寿命很短，它们很快湮灭生成两个能量分别为0.511MeV的新光子。

电子对效应发生的概率与物质的原子序数的平方成正比，与入射光子能量的对数成正比。

四、瑞利散射

瑞利散射是入射光子和束缚较牢固的内层轨道电子发生的弹性散射过程。在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子而跃迁到高能级，随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子，由于束缚电子未脱离原子，故反冲体是整个原子，从而光子的能量损失可忽略不计。

瑞利散射的概率大致与物质原子序数的平方成正比，并随入射光子能量的增大而急剧减小。当入射光子能量在200keV以下时，瑞利散射的影响不可忽略。

五、各种相互作用发生的相对概率

光电效应、康普顿散射、电子对效应的发生概率与物质的原子序数和入射光子能量有关，对于不同物质和不同能量区域，这三种效应的相对重要性不同，图1-8所示为按光子能量和原子序数来表示的三种相互作用占优势的区域。

图1-8 按光子能量E和原子序数Z来表示的三种相互作用占优势的区域

由图1-8可以看出：

1）对于低能量射线和原子序数高的物质，光电效应占优势。

2）对于中等能量射线和原子序数低的物质，康普顿散射占优势。

3）对于高能量射线和原子序数高的物质，电子对效应占优势。

图1-9所示为射线与铁相互作用时，各种效应的发生概率，由图中可看出：当光子能量为10keV时，光电效应σρh占绝对优势。随着能量的增大，光电效应逐渐减少，而康普顿散射σ_c的影响却逐渐增大。稍过100keV，两种效应相等，瑞利散射σ_R在此能量附近发生概率达到最大，但也不超过10%。在1MeV左右，射线强度的衰减几乎都是康普顿散射σ_c造成的。光子能量继续增大，电子对效应σρ引起的吸收逐渐增大，在10MeV左右，电子对效应与康普顿散射作用大致相等，超过10MeV以后，电子对效应的概率越来越大。

各种效应对射线检测质量产生不同的影响，例如，光电效应和电子对效应引起的吸收有利于提高照相对比度，而康普顿散射产生的散射线会降低对比度。轻金属试件的照相质量往往比重金属试件照相质量差；使用1MeV左右能量的射线检测，其对比度往往不如较低能量射线或更高能量射线，这些都是康普顿散射的影响造成的。

X射线与物质相互作用示意图如图1-10所示，从中可见强度的减弱及能量的转化。

图1-9 铁中各种效应的发生概率

图1-10 X射线与物质相互作用示意图