第五节 X射线与物质的相互作用
X射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射线能量范围，主要涉及光电效应和康普顿效应。
一、相干散射
X射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射线诊断能量范围内，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射线与物质相互作用时，X射线光子能量（hν）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射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1-1-7）。
图1-1-7 光电效应产生的示意图
（二）光电效应的产物
光电效应，在摄影用X射线能量范围内是和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。有如特征辐射的发生过程，但又不完全一样，其主要差别是击脱电子的方式不同。光电效应可产生三种物质：特征辐射、光电子（也称负离子）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）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，钙是人体内较高原子序数的元素，它的最大能量的特征光子也只有4keV。这样小的光子能量，从它的发生点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，而使胶片产生灰雾。
（三）光电效应产生的条件
1.光子能量与电子结合能，必须“接近相等”才容易产生光电效应。光子的能量要稍大于或等于电子的结合能。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，又比一个具有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，反而会使光电作用的概率下降。实际上，光电效应大约和能量的4次方成反比。
在实际摄影中，通过调整管电压的数值就可以达到调制影像的目的。
2.轨道电子结合得越紧密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密。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层和M层，因为这两层轨道电子结合得都比较紧密，容易产生光电效应。所以，光电效应的概率随原子序数的增高而很快增加。其发生率和原子序数的4次方成正比。这说明摄影中的三个实际问题：不同密度的物质的影像，是能产生明显对比影像的原因；密度的变化可明显影响到摄影条件；要根据不同密度的物质，选择适当的射线能量。
（四）光电效应在X射线摄影中的实际意义
1.光电效应不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾。
2.光电效应可增加射线对比度。X射线影像的对比，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3次方成正比。所以，光电效应可扩大不同元素所构成的组织的影像对比。例如，肌肉和脂肪间的对比度很小，如果选用低千伏摄影，就可以利用肌肉和脂肪在光电效应中所产生的较大的吸收差别来获得影像。
3.在光电效应中，因光子的能量全部被吸收，这就使患者接受的照射量比其他作用都多。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射线诊断能量范围内，X射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角方向射出，成为反冲电子。其间X射线光子的能量一部分作为反冲电子的动能，而绝大部分是作为光子散射（图1-1-8）。
图1-1-8 康普顿效应产生的示意图
一个光子被偏转以后，能保留多大能量，是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。在摄影用（40～150kVp）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递给电子（表1-1-1）。
表1-1-1 散射光子的能量与散射角度的关系
在摄影中所遇到的散射线，几乎都是来自这种散射。由于散射效应是光子和物质相互作用中的主要形式之一，所以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射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射线摄影无实际意义。
五、相互作用效应产生的概率
在诊断X射线能量范围内，只有光电效应和康普顿效应是重要的，相干散射所占比例很小。图1-1-9指出了在20～100keV的X射线在水、骨和碘化钠3种物质中发生各种作用的百分数。
图1-1-9 X射线诊断能量范围内的X射线与物质相互作用的概率
对低能量射线和高原子序数的物质，光电效应是主要的，它不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾，因而可产生高对比度的X射线影像，但会增加被检者的X射线接收剂量。
散射效应是X射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。但它与光电效应相比可减少患者的照射量。
它们之间的相互比率将随能量、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要低于骨骼。脂肪和肌肉除在很低的光子能量外，散射作用是主要的。骨骼的作用形式，在低能量时主要是光电效应，而在高能量时则以散射作用为主。常用对比剂碘和钡属于高原子序数的物质，以光电效应为主。
总之，X射线和物质的各种相互作用都有它的重要性，就X射线摄影而言，各种作用的结果，都造成了X射线强度的衰减，这是X射线影像形成的基本因素。