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本课件先讲X（γ）射线与物质作用的三类主要过程及其发生几率，再讲射线在物质中的衰减规律与滤过措施，最后讲β、α、中子和带电重粒子的作用特点，以及传能线密度LET与相对生物效应RBE。为后续理解辐射生物效应与防护方法奠定物理基础。
第三章 辐射与物质的相互作用
§1 辐射与物质的作用类型及能量损失 — A 辐射与物质作用的种类
一、X（γ）射线与物质的相互作用：主要通过光电效应、康普顿效应和电子对效应把能量转移给物质。
1 X 线与物质相互作用的过程
Ⅰ 光电效应（光子与原子内层电子作用）：放出光电子的原子变成正离子并处于激发态；外层电子向内层填充产生特征 X 线；特征线离开原子前又击出外层（俄歇）电子。
次级粒子：光电子、正离子、特征 X 光子、俄歇电子。
（2）光电效应的发生几率
（3）光电子的角分布：光电子的角分布与入射 X 光子能量有关——能量低时大角度分散，能量高时小角度集中（沿电离方向）。
（4）放射诊断学中的光电效应
Ⅱ 康普顿效应（与原子外层电子作用）
（2）散射光子的波长：用晶体衍射测量 X 射线谱，散射波长 λ 大于入射波长 λ₀，其差值随散射角增大而增大。
考虑康普顿波长与电子：入射光子 hf₀ 与外层电子作用后，产生散射光子 hf 与反冲电子，散射角与反冲角满足确定的几何关系。
（3）散射光子和反冲电子的角分布：散射光子能量与反冲电子动能随散射角分配，散射角与反冲角之间存在确定的对应关系。
注：康普顿效应的散射线，是 X 线检查中最大的散射线来源，且充满整个检查室空间，必须引起工作人员和防护人员的重视，并采取防护措施。
Ⅲ 电子对效应：光子在原子核库仑场中转化为一个正电子和一个负电子，其发生几率随光子能量升高而增大，并存在能量阈值。
2 X 线与物质作用的其他过程
3 各种作用发生的相对几率 — A X 线引发效应总结：光子与物质作用后，可引发光电效应、康普顿效应、电子对效应、相干散射（普通散射）和光核作用，各效应产物不同。
B Z 和 hf 与三种作用的关系：低能高 Z 材料以光电效应为主，中能区以康普顿效应为主，高能区电子对效应逐渐占优势。
表2 放射诊断学中作用几率与 Z 和 hf 的关系
| X 射线能量（keV） | 水（Z=7.4）康普顿（%） | 水 光电（%） | 骨（Z=13.8）康普顿（%） | 骨 光电（%） | 碘化钠（Z=49.8）康普顿（%） | 碘化钠 光电（%） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 69 | 41 | — | — | — | — |
| 30 | — | — | 89 | 30 | — | — |
| 60 | 95 | 5 | 93 | 19 | — | — |
| 100 | — | — | — | — | 89 | 11 |
源表数值为粘连序列，此处按能量与材料对应关系整理主要数据点，建议对照原课件表2逐格核校。
4 X（γ）射线在物质中的衰减：当 X 线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度衰减，即物质所致的衰减；此外还有随距离衰减（W/m²）。
A 单能 X 线在物质中的衰减规律 — （1）窄束 X 线：强度随穿过厚度按指数规律衰减。
用光子数表示则满足 lnI 与厚度 x 的线性关系（示例 μ = 0.2 cm−1）：光子数减少但频率不变。
（2）宽束 X 线在物质中的衰减规律
B 连续 X 线在物质中的衰减规律（1）：连续 X 线穿过物质后，低能成分衰减更快，射束逐渐变硬。
光子数随水模厚度变化：单能 X 线呈指数衰减，连续 X 线因能谱硬化而衰减趋缓。
连续 X 线衰减的影响因素：管电压、滤过情况、被穿透物质的厚度与组成。
（2）X 线的滤过：低能 X 线不能透过人体（被吸收），对形成 X 线影像不起作用，却大大增加被检者皮肤照射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分，使平均能量增高。
a 固有滤过：包括 X 线管的玻璃管壁、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板，用铝当量表示。
一般诊断 X 光机的固有滤过在 0.5～2 mmAl；对软组织摄影则需要低滤过 X 线，以增加软组织对比度。
b 附加滤过：包括附加滤过板、遮光器的滤过等。根据衰减厚度与能量分布不同，依具体情况选择管电压和材料形状厚度。
使用低滤过高千伏摄影，对受检者十分有害；而厚度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义。
| 铝板厚度（mmAl） | 皮肤照射量（C/kg） | 照射量下降百分数（%） |
|---|---|---|
| 0 | 6.14×10−4 | 0 |
| 0.5 | 4.78×10−4 | 22 |
| 1.0 | 3.28×10−4 | 47 |
| 3.0 | 1.20×10−4 | 80 |
为补偿人体不同部位厚度差异、使照射野内剂量分布均匀，可采用楔形或梯形滤过板。
C 诊断放射学中 X 线的衰减 — （1）人体的构成元素和组织密度：人体内除少量的钙、磷等中等原子序数物质外，其余全由低原子序数物质组成。人体吸收 X 线最多的是由 Ca₃(PO₄)₂ 组成的门牙，吸收 X 线最少的是充满气体的肺。
有效原子序数：在相同照射条件下，1 kg 复杂物质与 1 kg 单质吸收辐射能相同时单质的原子序数。
计算式中 ai 为第 i 种元素在单位体积中电子数的占有比率，Zi 为第 i 种元素的原子序数。如水中：氧的电子数比率 2.68∶3.34，氢的电子数比率 0.66∶3.34，氧、氢的原子序数分别为 8 和 1。
有效原子序数的近似公式：按 ai（第 i 种元素原子在分子中的原子个数）与 Zi 加权计算。如水中氧原子个数为 1、氢原子个数为 2，可算得占人体大部分成分的水的有效原子序数。
本页源文为公式演算，结果可对照原课件核校。
（2）X 线通过人体的衰减规律：人体各组织器官 X 线的衰减各异，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大到小排列；随管电压（hf）增加衰减减小，以光电效应吸收为主。
以手部拍片为例说明 X 线在人体不同组织中的衰减差别及与管电压的关系：用 40 kV 拍片，骨与肌肉衰减差别大，形成高对比度；用 150 kV 拍片，衰减差别减小。
表5 人体不同组织的线衰减系数 μ（单位 m−1，数值 ×10²）
| 管电压（kV） | 骨骼（×10²） | 肌肉（×10²） | 脂肪（×10²） |
|---|---|---|---|
| 40 | 2.4434 | 0.4012 | 0.3393 |
| 50 | 1.4179 | 0.2933 | 0.2653 |
| 60 | 0.9677 | 0.2455 | 0.2196 |
| 80 | 0.6047 | 0.2076 | 0.1905 |
| 100 | 0.4865 | 0.1942 | 0.1801 |
| 120 | 0.4298 | 0.1882 | 0.1774 |
| 150 | 0.3918 | 0.1842 | 0.1724 |
源表为 70～150 kV 连续序列的粘连数值，此处节录主要电压点，完整数据建议对照原课件表5。
二、其他射线与物质的作用 — 1 β 射线与物质的作用：β 射线即电子流，带有负电，质量很小，运行中容易被其他电子所偏转，故径迹曲折，实际穿透深度小于径迹长度。
在 β 射线径迹的末端电离密度最大：此时电子能量已显著降低、速度减慢，与靶物质原子作用几率加大，单位距离内形成的离子对增多。
临床上使用直线加速器发生的高能电子流照射组织时，主要的电离作用产生在深部；而 90Sr 放射源放出的 β 射线则在浅层（1～2 mm）引起最大电离作用。射程长短取决于电子能量的大小。
2 α 射线与物质的作用：α 射线即氦核组成的粒子流，由 2 个质子和 2 个中子组成，带 2 个正电荷，质量数为 4，比电子质量大约 8000 倍。
α 粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米，故 α 射线由外照射对机体不会产生严重危害。
但发射 α 粒子的放射性核素进入体内时，由于其物理特征，电离密度较大，造成的损伤则更为严重。
此外，放射性治疗中用快中子或负 π 介子照射组织时，在组织中将产生 α 粒子，对杀伤癌细胞起重要作用。
3 中子与物质的作用：中子不带电，通过组织时不干扰带电物质，只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用。慢中子或热中子（能量在 0.5 eV 以下）进入原子核易被俘获，快中子（能量大于 20 keV）与原子核主要发生弹性碰撞。
在中子与质子（氢核）的一次碰撞中，中子的部分能量传给质子，产生反冲质子，这种带正电重粒子在组织中速度很快下降，引起高密度电离作用。
中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作用可引起非弹性散射产生 γ 射线。
此外，中子与物质的原子核作用还会产生核反应，在反应过程中释放带电重粒子、γ 光子或产生放射性核素。
4 带电重粒子与物质的作用：快中子作用于组织时可产生带电重粒子；高能加速器还可将重粒子加速，使其具有穿透深部组织的能力。
例如质子、氦核、负 π 介子等可在数厘米深处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用。
关于负 π 介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的关注。负 π 介子属于亚原子粒子，质量为电子的 276 倍，电荷同于电子，由同步回旋加速器将质子加速到极高能量（500～700 MeV）而作用于石墨或铅靶时产生。
当其穿入组织被碳、氧、氢等原子核捕获，释放 α 粒子、中子和质子，产生高密度电离作用。
B 传能线密度与相对生物效应 — 一、传能线密度（LET）
生物损害与 LET 值正相关。高 LET 粒子在给定体积内产生变化的几率高，但并非无限增加。
γ 线、硬 X 线、软 X 线、α 线在细胞或生物大分子尺度上的电离密度差别明显，α 线 LET 最高。
各种电离粒子的 LET 值
| 粒子种类 | 电荷 | LET（GeV/m） | 能量（MeV） |
|---|---|---|---|
| 电子（200 kV X 线击出） | −1 | 4.2 | 0.01 |
| 电子（60Co γ 线） | −1 | 2.3 | 0.1 |
| 质子 | +1 | 42 | 1～2 |
| α 粒子 | +2 | 260 | 3～7 |
| 中子（间接） | 0 | 15～80（峰值 20） | 3～30（峰值 7） |
源表数值为粘连序列，此处按粒子种类整理主要数值，建议对照原课件图表逐项核校。
二、相对生物效应（RBE）：辐射生物效应不仅决定于辐射条件，还受能量分布的制约，LET 决定了生物效应的程度或频度，这种差别用相对生物效应表示。
标准 X（γ）线常以 250 kV X 线或 60Co 的 γ 线为基础。比如引起相同生物损害所需 X（γ）线剂量是 α 射线的 10 倍，故 α 射线的 RBE 为 10。
相对生物效应（以 250 kV X 线或 60Co γ 线为基准）
| 辐射种类 | RBE |
|---|---|
| X、γ 射线 | 1 |
| β 粒子 | 1 |
| 热中子 | 3 |
| 中能中子 | 5～8 |
| 快中子 | 10 |
| α 粒子 | 10 |
| 重反冲核 | 20 |
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