光子辐射对物质的作用原理

光子辐射包括X线和γ射线。当光子进入物质之后，在物质内主要发生三种效应，即光电效应、康普顿效应和电子对效应，至于哪一种效应占优势，则与光子的能量和物质的密度或者说原子序数有关。

（一）光电效应

光电效应也称之为光电吸收。光电效应的作用原理是，当入射光子与原子核较近壳层处具有高结合能的轨道电子发生相互作用时，光子将能量传递给被作用的电子后自己消失，而获得能量的电子会挣脱原子的束缚成为自由电子，我们称这种自由电子为光电子。

光电子溢出之后，就在原来的位置上形成电子空位而处于激发态，它将通过同一原子的更外层电子或者另一原子的电子来填充而回到基态，并同时释放出特征X线或俄歇电子，这一过程就被称为光电效应，光电效应，见图1-2-2。

光电效应主要发生在射线能量较低的情况，在10～30keV的能量范围占优势。理论和实践都证明，光电吸收正比于原子序数的3次方（Z3），这一点具有很好的应用价值，能够解释为什么较高原子序数的材料（如铅）是更有效的屏蔽材料。同时，这也是传统影像诊断学的基础，它利用低能X线拍摄胶片，主要发生光电吸收，骨组织比软组织会吸收更多的低能射线，在胶片上会产生不同密度值的图像。

图1-2-2　光电效应

（二）康普顿效应

康普顿效应的作用原理是，当入射光子与距原子核较远的低结合能轨道上的电子或自由电子发生作用时，光子将部分能量传递给被作用的电子，这时光子的波长变长，频率变低，并改变自己的运动方向。而获得能量的电子会脱离原子，这种作用过程就称为康普顿效应（图1-2-3）。损失能量并改变方向后的光子称为散射光子，获得能量的电子称为反冲电子。

图1-2-3　康普顿效应

康普顿效应在0．03～25MeV的能量范围占优势。康普顿效应的发生率与原子序数没有太大关系，而主要取决于电子密度，因此利用高压X线拍摄胶片时，骨组织与软组织以发生康普顿效应为主，吸收剂量相近，胶片上骨组织和软组织难以区别，而气腔可清楚分辨。

（三）电子对效应

电子对效应的作用原理是，当入射光子从原子核旁边经过时，在原子核库伦场的作用下会形成一对正负电子。这时，光子的能量转化为两部分：一部分为正、负电子的静止质量，另一部分为正、负电子的动能之和。这一过程就叫做电子对效应。电子对效应，见图1-2-4。

实验证明，光子能量超过1．02MeV才能发生这种吸收，且吸收过程中同时产生正电子和负电子，在25～100MeV的能量范围电子对效应占优势。

图1-2-4　电子对效应

（四）效应比较

由于放射治疗设备所关心的主要是对人体的放射效应，故这里只对人体主要组织在不同光子能量的照射下三种效应的差别进行比较。

图1-2-5　人体骨骼、肌肉和脂肪相对于空气的质能吸收系数

根据三种作用方式与物质作用随能量的变化规律，可以检测出人体骨骼、肌肉和脂肪对临床所用X（γ）射线相对于空气的相对质能吸收系数（图1-2-5）。从图中可以看出，在10～200keV能量范围内，由于光电效应是主要的能量吸收方式，造成相同质量厚度的三种组织对X（γ）射线的能量吸收差别很大，骨骼最高，肌肉次之，脂肪最低，但这种差别随能量的提高而逐渐减少。在0．2～7MeV能量范围内，由于康普顿效应成为主要的能量吸收方式，使骨骼的吸收系数反而低于肌肉和脂肪，但三种组织对能量的吸收差别非常微小。在7～100MeV能量范围内，由于电子对效应成为成为主要作用方式，因此，骨骼的吸收系数逐渐增大，而肌肉和脂肪的吸收系数有所减少。