Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

При падении на тело рентгеновского излучения оно в незначительной части отражается от его поверхности, но в основном проходит вглубь массы тела, где, взаимодействуя с электронами атомов вещества, поглощается и рассеивается, частично может проходить тело насквозь. При этом в зависимости от соотношения энергии hn фотона имеют место три главных процесса: когерентное рассеяние, комптон - эффект и фотоэффект.

Когерентное рассеяние возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения hn<A_и, где A_и – энергия ионизации, т.е. энергия, необходимая для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы. При этом у фотонов вследствие взаимодействия с электронами внутренних оболочек, крепко связанными с ядром, изменяется только направление движения, но энергия, а, следовательно, и длина волны остаётся неизменной.

В 1922 году А. Х. Комптон, наблюдая рассеяние жёстких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называют некогерентным или комптон-эффектом.

Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации hn>A_и.

Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия hn фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона с энергией  на отрыв электрона от атома (такие электроны называются электронами отдачи) и сообщение электрону кинетической энергии E_k:

Так как во многих случаях  и эффект Комтона происходит на свободных электронах, то можно записать приближённо:

При фотоэффекте фотон рентгеновского излучения поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, а атом ионизируется (фотоионизация). Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.

Рассмотренные три процесса взаимодействия являются первичными, они могут вызвать ряд вторичных процессов, приводящих к ионизации, возбуждению атомов и молекул. При этом возникает вторичное рентгеновское излучение с большей длиной волны.

В результате взаимодействия с веществом первичный рентгеновский пучок ослабляется. Этот процесс подчиняется закону Бугера.

,

где m-линейный коэффициент ослабления. Он зависит от природы вещества (главным образом от плотности r и атомного номера Z) и от длины волны l излучения.

Действие рентгеновского излучения на ткани организма связано с поглощённой частью излучения. Поэтому линейный коэффициент ослабления удобно представить в виде суммы двух коэффициентов, обусловленных истинным поглощением µ_п и рассеянием первичного излучения m_р

Опыт показывает, что в однородном веществе излучение поглощается тем сильнее, чем больше плотность r и особенно чем выше атомный номер Z вещества и чем больше его длина волны. Тогда коэффициент поглощения можно выразить формулой

Пользуются также массовым коэффициентом ослабления m_m, который равен отношению линейного коэффициента ослабления к плотности вещества:

В медицине используется излучение с энергией фотонов в среднем от 60 до 200 кэВ. Оно взаимодействует с веществом, состоящим из элементов с атомным номером от Z 1-8 (мягкие ткани Н, С, N, O) и Z 15-20 (минеральное вещество кости: P, Ca).

Необходимо учитывать, что, как первичное, так и вторичное рентгеновское излучение опасно для здоровья человека и от него необходимо соответствующим образом защищаться.