第二节　X线与物质的相互作用

X线与物质的相互作用形式有：相干散射、光电效应、康普顿效应、电子对效应、光核反应等。诊断用X线能量范围，主要涉及光电效应和康普顿效应。

一、相干散射

X线与物质相互作用能发生干涉的散射过程，称为相干散射。在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子能量跃迁到高能级，随即释放出一个能量等于入射光子能量的散射光子。由于电子未脱离原子，故光子能量损失可忽略不计，相干散射不产生电离过程。在X线诊断能量范围内，相干散射产生的概率只占5%。

二、光电效应

（一）光电效应的定义

X线与物质相互作用时，X线光子能量（h）全部给予了物质原子的壳层电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子（即光电子）。而X线光子本身则被物质的原子吸收，这一过程称为光电效应（图1-7）。

（二）光电效应的产物

在摄影用X线能量范围内，光电效应是X线与物质相互作用的主要形式之一。它是以光子击脱原子的内层轨道电子而发生，有如特征放射的发生过程，但又不完全一样，其主要差别是击脱电子的方式不同。光电效应可产生特征辐射、光电子（也叫负离子）和正离子（即缺少电子的原子）。

在产生光电效应的过程中，当一个光子在击脱电子时，其大部分能量是用于克服电子的结合能，多余能量作为被击脱电子（光电子、负离子）的动能。由于带电粒子穿透力很小，当这个电子进入空间后，很快就被吸收掉。失掉电子的原子轨道上的电子空位，很快就有电子来补充。这个电子经常是来自同原子的L层或M层轨道上的电子，有时，也可以是来自其他原子的自由电子。在电子落入K层时放出能量，产生特征辐射，但因其能量很低，在很近的距离内则又被吸收掉。例如：钙是人体内原子序数最高的元素，它最大能量的特征光子也只有4keV，这样小的光子能量，从它发生点的几个毫米内即可被吸收。但必须注意，常用造影剂碘和钡，所产生的特征辐射，会有足够的能量离开人体，而使图像对比度下降。

（三）光电效应产生的条件

1.光子能量与电子结合能

光子能量要稍大于或等于轨道电子结合能，即必须“接近相等”才容易产生光电效应。例如：碘的K层电子结合能为33.2keV，若光子能量为33.0keV，就不能击脱该层电子。另一方面，一个有34keV能量的光子，又比一个有100keV能量的光子更容易和碘K层电子发生作用。这就是说，光子能量的增加，反而会使光电效应的概率下降。实际上，光电效应大约和能量的三次方成反比。X线摄影时，通过调整管电压的数值就可以达到调制影像的目的。

2.原子序数

轨道电子结合得越紧，就越容易产生光电效应。高原子序数元素比低原子序数元素的轨道电子结合得紧。在低原子序数元素中，光电效应都产生在K层，因为这一类元素只有K层电子结合的比较紧。对高原子序数的元素，光子能量不足以击脱它的K层电子，光电效应常发生在L层M层，因为这两层轨道电子结合的都比较紧，容易产生光电效应。所以说，光电效应的概率随原子序数的增高而很快增加，其发生概率和原子序数的三次方成正比。这说明了X线摄影中的3个实际问题：影像中对比度的形成原因；被照体密度变化可影响到摄影条件；应根据不同密度的被照体选择适当的射线能量。

（四）光电效应在X线摄影中的实际意义

1.光电效应不产生有效的散射

由于不产生散射线，所以不会降低图像对比度。

2.光电效应可增加射线对比度

X线影像的对比，产生于不同组织的吸收差异，这种吸收差别愈大，则对比度愈高。因为光电效应的概率和原子序数的三次方成正比，所以，光电效应可扩大不同元素所构成组织的影像对比。例如：肌肉和脂肪间的对比度很小，如果选用低kVp摄影，就可以利用肌肉和脂肪在光电效应中所产生的较大吸收差别来获得影像。

3.光电效应中光子的能量全部被吸收

这就使患者接受的照射量比任何其他作用都多。为了减少对患者的照射，在适当的情况下，要采用高能量的射线。

三、康普顿效应

康普顿效应也称散射效应或康普顿散射。它是X线诊断能量范围内，X线与物质相互作用的另一种主要形式。当一个光子在击脱原子外层轨道上的电子时，入射光子就被偏转以新的方向散射出去，成为散射光子。而被击脱的电子从原子中以与入射光子方向呈θ角的方向射出，成为反冲电子，其间X线光子的能量一部分作为反跳电子的动能，而绝大部分作为光子散射（图1-8）。

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的角度来决定。偏转的角度愈大，能量的损失就愈多。

散射光子的方向是任意的，光子的能量愈大，它的偏转角度就愈小。但是，低能量的光子，在散射效应中，向后散射的多。在X线摄影所用（40~150kV）能量范围内，散射光子仍保留大部分能量，而只有很少的能量传给电子。

在摄影中遇到的散射线，几乎都是来自这种散射。康普顿散射是光子与物质相互作用的主要形式之一，在实际工作中无法避免散射线的产生，而只能想办法消除或减少它的影响。

四、电子对效应与光核反应

电子对效应与光核反应在诊断X线能量范围内不会产生。因为电子对效应产生所需要的光子能量是1.02MeV，而光核反应所需光子能量要求在7MeV以上，所以，这两种作用形式对X线摄影无实际意义。

五、相互作用效应产生的概率

在诊断X线能量范围内，相干散射占5%，光电效应占70%，康普顿效应占25%（图1-9）。

对低能量射线和高原子序数的物质，光电效应是主要的，它不产生有效散射，因而，可产生高对比度的X线影像，但会增加受检者的X线接收剂量。

散射效应是X线和人体组织之间最常发生的一种作用，几乎所有散射线都是由此产生的。它可使影像质量下降，严重时可使我们看不到影像的存在，但与光电效应相比，可减少患者的辐射剂量。

X线与物质相互作用效应的产生比率随能量、物质原子序数等因素的改变而变化。就人体而言，脂肪和肌肉的原子序数低于骨骼，与X线相互作用时以散射作用为主，光子能量很低时除外。对于骨骼来说，低能量时的相互作用主要是光电效应，而在高能量时则以散射作用为主。常用的造影剂碘和钡属于高原子序数的元素，原子序数高，则以光电效应为主。

总之，X线和物质的各种相互作用都有其重要性，就X线摄影而言，各种作用的结果，都造成了X线强度的衰减，这是X线影像形成的基础。