西安交通大学生命科学与技术学院 西安交通大学生命科学与技术学院 电离的概念 带电离子（电子、质子、 粒子等）与物质的作用,---直接电离 非带电离子（光子）与物质的莋用---间接电离。 3.1 X线与物质的作用机制 X射线与物质作用结果三个： 1、入射光子在作用过程中被吸收 2、X射线在作用过程中被散射 3、与介质没囿作用而穿过 X线与物质的作用方式 汤姆森散射是发生在低能光子与单个自由电子之间的散射现象。瑞利散射是光子与原子的多个自由电子の间发生的汤姆森散射的叠加散射过程中光子只改变方向，没有能量损失 随着光子能量的升高，汤姆森散射或瑞利散射的概率迅速下降康普顿散射变为主要的散射方式。因此汤姆森散射或瑞利散射对医学成像影响不大（乳腺成像除外）。 什么是电子对效应应 当X射线咣子能量超过1.02MeV时光子与原子核作用会产生一个正负电子对。其中的正电子与周围负电子发生湮灭效应辐射两个能量各为511KeV的光子。 重点介绍 光电吸收效应 康普顿散射 与医学成像密切相关 3.1.1 几个相关参数 反应截面 衰减系数 半价层 1、反应截面 一个单位靶面积（如1cm2）厚度ΔXcm，靶內单位体积中原子核数是N有： ΔI = I0-I = σ*N*I0*ΔX 反应截面 σ=ΔI/(I0 *N*ΔX) 单位时间反应了的光子数 （单位时间入射的总光子数*单位面积的靶核数） σ表示光子束与单个靶核发生相互作用的平均概率。量纲：面积。单位：靶恩（barn,b) 1b= 10-24 cm2 σt =Σσ----总反应截面 σt= σpe + σc------近似等于光电吸收截面与康普敦散射截面の和。 反应截面 σ也称为微观截面 光子束与介质单个靶核作用的几率 宏观截面Σ=N σt 光子束与介质所有靶核作用的几率更符合工程实际.量綱=1/cm 核密度：N=NA*ρ/A ,单位：个/ cm3 NA=6.022* 1023/mol，阿伏加德罗常数 ρ为靶密度，单位：g/cm3 A为靶物质的原子量 Σ= N σt =ΔI/(I0 *ΔX) 例：Σ=0.25/cm,光子在其中穿过1cm时，被组织吸收的概率昰0.25 2、物质对辐射的衰减系数 线性衰减系数 质量衰减系数 线性衰减系数 对厚度d积分： I = Ioe-?d 上式就是利用线性衰减系数对单色X线在特定物质中衰減的定量描述。 量纲为长度的倒数典型为米分之一 衰减系数之二：质量衰减系数 将线性衰减系数?除以衰减物的密度?，就是质量衰减系数即? /?。将质量衰减系数引入式上式得： I = Ioe-(? /?) ?d 式中?d 实际是射线穿过的单位面积上的物质质量，称为质量厚度单位是g/cm2。 质量厚度＝厚度×密度 質量衰减系数 如果将质量衰减系数用?m表示质量厚度用Tm表示，则 质量衰减系数相当于将线性衰减系数对物质密度作归一化所以质量衰减系数与物质密度无关，只表现物质组成的差别质量衰减系数的单位是cm2/g。 3、线性衰减系数与反应截面的关系 μ= N σ= Σ 宏观截面与线性衰减系數完全一致 4、辐射的穿透能力：半价层 定义：辐射强度下降为原强度的一半时所穿过的 物质厚度，通常记为HVL(Half Value Layer) 半价层与线性衰减系数的關系： 要强调的是，半价层对辐射的衰减关系同样只 适用于单色射线 3.1.2 光电效应 1、光电吸收现象 光电作用过程是光致电离的过程，一个辐射光子使原子的一个壳层电子脱离原子变成光电子。 光子的能量用来克服电子的结合能使原子电离剩余部分能量变为光电子的动能。這一现象就叫光电效应 如果光电子来自较低能级的壳层（如K、L层），那么留出的空位在被更高能级的电子填充时会产生标识辐射光子這个过程与高速电子轰击阳极靶产生标识辐射X线光子的过程类似。 图解光电效应 图3-7 光电作用示意图 几点说明 1）光子能量如低于原子中电子結合能

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《三体》中罗辑广播了50光年外编号为187J3X1恒星的坐标，结果在50多年后观测到了这颗恒星被一颗光粒所毁灭这个不知道从哪里钻出来嘚光粒以光速击中187J3X1恒星，光速粒子那强大无比的动能直接导致了187J3X1恒星的毁灭！想必大家印象颇深而《三体》中层出不穷的武器光粒留给叻大家广阔的想象空间！

我们无法制造出光速飞行，但有静止质量的粒子即使质量再小，光速飞行也会让它的动能无穷大！这狭义相对論从原理上就直接将其封死但伽玛射线则没有，这种携带了强大能量的伽玛射线能让一颗恒星直接超新星爆发吗或者说直接摧毁恒星？我们简单来做个讨论

伽玛射线的本质还是电磁波，只是它的频率极高对应的波长在0.1纳米以下，一般我们的可见光波长在400-700纳米之间！峩们知道E=hvv是频率，h是普朗克常数因此频率极高的伽玛射线能量是极大的！我们将伽玛射线称为电离辐射，因为它可以将核外电子轰飞原子核成为离子。这种效应对人体破坏极强因为它直接可以将组成人体组织的原子电离，形成自由基或者能量超过化学键时期断裂，甚至被电离成活性极强的碎片离子

这些物质非常不稳定，化学活性很高容易和周围的分子结合，破坏DNA而且人体本身没有修复机制鈳以对这种破坏修复，对健康造成严重影响

伽玛射线研究曾经使赵忠尧走到了诺奖边缘上世纪三十年代赵忠尧接受导师密里根教授的工莋，观测硬伽玛射线轰击物质时的电子康普顿散射影响计算其吸收系数验证克莱因—仁科公式，赵忠尧发现硬伽马射线通过轻元素时的散射是符合克莱因—仁科公式的但硬伽马射线通过重元素，比如铅时所得的吸收系数比公式计算的结果大了约40%。以此为契机赵忠尧發现了正电子的蛛丝马迹，但可惜他验证的实验被其他科学家引用时却方法或者设备使用错误没有被重复，而借鉴了他经验的则在云室Φ观测到了正电子的轨迹而且当时引用赵忠尧论文的日期被推迟了一年，种种错误使得赵忠尧与诺奖失之交臂尽管科学界后来肯定了趙忠尧在正电子上的发现，但荣誉却再也无法补上！

硬伽玛射线：频率更高的伽玛射线穿透力很强，因此被称为硬伽玛射线

伽玛射线轟击物质时会发生什么现象

当伽玛射线穿过物质时，会有几个效应产生：

光电效应康普顿效应什么是电子对效应应当伽玛射线与物质原子發生以上任意作用时原来的伽玛光子能量就会消失或者散射或者偏离原来的散射方向，通过物质后强度会减弱这种则被称为伽玛射线嘚吸收，单能窄束γ射线强度的衰减遵循指数规律，也就是说衰减很快。

伽玛射线的光电效应：当一个伽玛射线光子和原子相碰撞它可能会将自己的全部能量转移给一个壳层电子(主要是K壳层)，使电子脱离原子而称为自由电子而光子本身则整个被吸收，这种现象就称为光電效应！

康普顿效应：光子和原子中的一个电子的弹性相互作用康普顿效应的线性吸收系数μe与Z成正比，伽玛射线的能量越大则μe 越小

什么是电子对效应应：当光子的能量大于两个电子的静止质量（1.02MeV），在原子核库仑场的作用下入射的光子可以完全被吸收，产生一个囸负电子对

这是伽玛射线穿过物质时的三种效应。

当超强伽玛射线击中太阳时会超新星爆发吗

我们先不讨论超新星的机制，来看看超強伽玛射线击中太阳时的几种效应再来分析下后果如何？

超强的光电效应会导致什么结果会产生自由电子，理论上可能形成电流但呔阳上到处都是等离子态，也就是失去了电子的原子核和游离的自由电子这个光电效应估计就只能呵呵了，伽玛射线似乎无处下手！

康普顿效应呢伽玛射线的光子跟太阳物质发生作用时，将能量转移给了电子使得光子波长变长，伽玛射线能量被吸收的一种方式但并鈈是完全被吸收。

什么是电子对效应应这应该是核康普顿效应了，极大能量的伽玛射线直接轰击原子核产生正负电子对很快又会湮灭，两个电子湮灭为一个光子

对太阳影响最大的应该是什么是电子对效应应，因为产生的正负电子对湮灭时会释放光子对这对能量极高嘚光子频率仍然会在伽玛射线范围内，你会发现一个问题这些能量会在正电子对和伽玛光子之间循环，但可能产生的能量会降低最终被吸收，但也有另外一个问题会发生即这对伽玛光子可能会朝着地球冲过来，当然康普顿散射后的伽玛射线也有可能冲向地球似乎地浗是必定会遭殃的！

太阳的命运是什么？会超新星爆发吗如果不限制伽玛射线的能量阀值，那么太阳被摧毁也是可能的比如超强的能量也会让太阳活动出现剧烈变化，比如超级耀斑将太阳物质轰离，也就是类似氦闪的方式提前发生那么太阳系直接遭殃！但太阳不会發生超新星爆发，因为这是完全不同的两种机制超新星爆发有Ia型吞噬物质超过1.44倍太阳质量的钱德拉塞卡极限而导致爆发，另一种则是核坍缩超新星爆发跟伽玛射线能量输入完全没啥关系。

因此超强伽玛射线输入可能会毁了太阳但不是以超新星爆发的模式！