射线与物质相互作用
通常我们使用的高能射线分为带电粒子射线以及不带电粒子射线两种，最常见的带电粒子为电子线，不带电粒子为X射线以及γ射线。
（一）带电粒子与物质的相互作用
具有一定能量的带电粒子入射到靶物质中，与物质中的原子发生作用，主要有①与核外电子发生非弹性碰撞；②与原子核发生非弹性碰撞；③与原子核发生弹性碰撞；④与原子核发生核反应。
（二）X（γ）射线与物质的相互作用
X（γ）射线既有波动性又有粒子性，在与物质相互作用时大多数情况表现为粒子性。当吸收物质是生物组织时，X（γ）射线与其相互作用，这是一个繁琐的过程。
图2-1-2 X（γ）射线与生物组织的相互作用的结果
X射线与物质相互作用的主要类型有光电效应、康普顿效应和电子对效应，其他次要的作用类型有相干散射以及光核反应等。
1．光电效应：能量为hv的X（γ）光子通过物质时，与物质原子的轨道电子发生相互作用，把全部能量传递给电子，光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚称为自由电子（称为电光子）；原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射标识X射线或俄歇电子的形式很快回到基态，这个过程称之为光电效应。在人体组织中标识X射线和俄歇电子的能量低于0.5KeV，这些低能光子和电子很快被周围组织吸收。
图2-1-3 光电效应示意图
由能量守恒定律，发生光电效应时，入射X光子能量hv和光电子动能Ee满足关系
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式中EB为原子第i层电子的结合能，与原子序数和壳层数有关。
2．康普顿效应：当入射X光子的原子内一个轨道电子发生相互作用，光子损失一部分的能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子形成反冲电子，这一过程称之为康普顿效应。损失能量后的X光子称之为散射光子。在康普顿效应中，反冲电子是由结合能很小的轨道电子生成的，因此在推导有关公式时，可以忽略掉结合能的作用，将康普顿效应看作是光子与近乎静止的“自由”电子之间的弹性碰撞。
图2-1-4 康普顿效应示意图
根据物理学的能量守恒定律以及质量守恒定律，可以知道散射光子的能量、反冲电子动能与散射光子的散射角有关。散射角越大，散射光能量越小。
3．电子对效应：当X射线的光子从原子核旁经过时，会在原子核库仑场的作用下形成一对正负电子，整个过程称之为电子对效应。电子对效应是X光子与原子核相互作用的结果。电子对质量衰减系数与原子序数成正比；能量较低时，随X光子能量线性增高；高能时，随X光子能量的变化逐渐变慢。
图2-1-5 电子对效应示意图
4．X（γ）射线与物质的其他相互作用：除上述三种相互作用的过程外，与辐射防护相关的过程还有相干散射以及光核反应。
相干散射也称为经典散射或瑞利散射，是入射光子和束缚较牢固的内壳层轨道电子发的弹性散射（也称为电子的共振）。在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子而跃迁到高能级，随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子。由于束缚电子未脱离原子，故反冲体是整个原子，从而光子的能量损失可忽略不计。相干散射是X光子与物质相互作用中唯一不产生电离的过程。在整个诊断X射线的能量范围内都有相干散射产生，但所占比例很小。在总的衰减系数计算中还是要考虑相干散射的贡献。相干散射质量衰减系数与原子序数和入射X光子能量的关系可表示为：
光核反应是光子与原子核作用而发生的核反应。这是一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和γ光子的作用过程。对不同物质只有当光子能量大于该物质发生核反应的阈能时，光核反应才会发生。其发生率不足主要作用过程的5%。光核反应在诊断射线能量范围内不可能发生。但应注意到，某些核素在进行光核反应时，不但产生中子，而且反应产物是放射性核素。