第二节　射线与物质的相互作用

原子的核外电子因与外界相互作用获得足够的能量，挣脱原子核对它的束缚，造成原子的电离。电离是由具有足够动能的带电粒子（如电子、质子、α粒子等）与原子中电子碰撞引起的。原子核外壳层电子受原子核束缚的程度不同，带电粒子必须具有不小于原子核外壳层电子束缚的能量，才能使物质的原子电离。不带电粒子（如光子、中子等）本身不能使物质电离，但能借助它们与原子的壳层电子或原子核作用产生的次级粒子（如电子、反冲核等），随后再与物质中原子作用，引起原子的电离。由带电粒子通过碰撞直接引起的物质原子或分子的电离称为直接电离，这些带电粒子称为直接电离粒子。不带电粒子通过它们与物质相互作用产生带电粒子引起的原子电离，称为间接电离，这些不带电粒子称为间接电离粒子。由直接电离粒子或间接电离粒子，或者两者混合组成的辐射称为电离辐射。电离辐射与物质的相互作用是电离辐射剂量学的基础。本节将讨论带电粒子、X（γ）射线与物质的相互作用过程，定量分析能量在物质中的转移、吸收规律。

一、带电粒子与物质的相互作用

（一）带电粒子与物质相互作用的主要方式

具有一定能量的带电粒子入射到靶物质中，与物质原子发生作用，作用的主要方式有：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。

1.带电粒子与核外电子的非弹性碰撞

当带电粒子从靶物质原子近旁经过时，入射粒子和轨道电子之间的库仑力使电子受到吸引或排斥，从而获得一部分能量。如果轨道电子获得足够的能量，就会引起原子电离，则原子成为正离子，轨道电子成为自由电子。如果轨道电子获得的能量不足以电离，则可以引起原子激发，使电子从低能级跃迁到高能级。处于激发态的原子很不稳定，跃迁到高能级的电子会自发跃迁到低能级而使原子回到基态，同时释放出特征X射线或俄歇电子，X射线能量或俄歇电子动能等于高低能级能量的差值。如果电离出来的电子具有足够的动能，能进一步引起物质电离，则称为次级电子或δ电子。由次级电子引起的电离称为次级电离。

带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致物质原子电离和激发而损失的能量称为碰撞损失或电离损失。线性碰撞阻止本领（linear collision stopping power）[用符号Scol或表示]和质量碰撞阻止本领（mass collision stopping power）[用符号或表示]是描述电离（碰撞）损失的两个物理量。线性碰撞阻止本领是指入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的平均能量，其国际单位制（international system of units，SI）单位是J/m，还常用到MeV/cm这一单位。质量碰撞阻止本领等于线性碰撞阻止本领除以靶物质的密度，其SI单位是J·m2/kg，此外MeV·cm2/g也常用到。

2.带电粒子与原子核的非弹性碰撞

当带电粒子从原子核附近掠过时，在原子核库仑场的作用下，运动方向和速度发生变化，此时带电粒子的一部分动能就变成具有连续能谱的X射线辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。与线性碰撞阻止本领、质量碰撞阻止本领类似，线性辐射阻止本领（linear radiative stopping power）[用符号Srad或表示]和质量辐射阻止本领（mass radiative stopping power）[用符号或表示]被用来描述单位路程长度和单位质量厚度的辐射能量损失。根据量子电动力学理论，可推得下面的关系式：

公式中，z为带电粒子的电荷数，Z为靶原子的原子序数，N为单位质量靶物质中的原子数，m为带电粒子的静止质量，E为带电粒子的能量。

由公式（1-2-38）可以得出如下结论：①辐射损失与入射带电粒子静止质量的平方（m2）成反比，轻带电粒子的辐射损失比重带电粒子的辐射损失大得多（如相同能量的电子的辐射损失要比质子大100万倍），重带电粒子的轫致辐射引起的能量损失可以忽略；②辐射损失与单位质量靶物质原子数的平方（Z2）成正比，说明重元素物质中的轫致辐射损失比轻元素物质大；③辐射损失与粒子能量（E）成正比，这与电离损失的情况不同。

3.带电粒子与原子核的弹性碰撞

当带电粒子与靶物质原子核库仑场发生相互作用时，尽管带电粒子的运动方向和速度发生了变化，但不辐射光子，也不激发原子核，此种相互作用满足动能和动量守恒定律，属弹性碰撞，也称弹性散射。碰撞发生后，绝大部分能量由散射粒子带走。重带电粒子由于质量大，与原子核发生弹性碰撞时运动方向改变小，散射现象不明显，因此它在物质中的径迹比较直。相反，电子质量很小，与原子核发生弹性碰撞时运动方向改变可以很大，而且会与轨道电子发生弹性碰撞。经多次散射后，电子的运动方向偏离原来的方向，最后的散射角可以大于90°，甚至可能是180°，因此它在物质中的径迹很曲折。散射角小于90°、接近90°、大于90°时的多次散射分别称为前向散射、侧向散射和反向散射。

弹性碰撞发生的概率与带电粒子的种类和能量有关。只有当带电粒子的能量很低，其速度比玻尔轨道的电子速度（v0=2.183×108cm/s）小很多时，才会有明显的弹性碰撞过程。与v0对应的α粒子、质子和电子的能量分别是0.1MeV，0.025MeV和0.013 5keV。通常情况下，α粒子和质子的能量比上述能量高得多，因此对重带电粒子发生弹性碰撞的概率很小。对于能量在104~106eV范围的电子，发生弹性碰撞的概率也仅占5%。当电子能量高出这个范围时，弹性碰撞发生的概率进一步减小。

4.带电粒子与原子核发生核反应

当一个重带电粒子具有足够高的能量（约100MeV），并且与原子核的碰撞距离小于原子核的半径时，如果有一个或数个核子被入射粒子击中，它们将会在一个内部级联过程中离开原子核，其飞行方向主要倾向于粒子入射方向。失去核子的原子核处于高能量的激发态，将通过发射所谓的“蒸发粒子”（主要是一些较低能量的核子）和γ射线而退激。当核反应发生时，入射粒子的一部分动能被中子和γ射线带走，而不是以原子激发和电离的形式被局部吸收，因此这将影响吸收剂量的空间分布。

除上面介绍的作用方式以外，当一个粒子与其反粒子发生碰撞时，它们的质量可能转化为辐射的能量，这种辐射称为湮没辐射。例如，当一个正电子与一个负电子碰撞时，产生两个能量为0.511MeV的γ光子。当高速带电粒子在透明介质中以高于光在该介质的传播速度运动时，还能产生契伦科夫辐射，即带电粒子的部分能量以蓝色光的形式辐射出来。

（二）带电粒子与物质相互作用系数

1.总质量阻止本领（total mass stopping power）

定义为带电粒子在密度为ρ的介质中穿过路程（dl）时，一切形式的能量损失（dE）除以ρdl而得的商，用符号或表示。对于电子，在常规的能量范围内，总的能量损失可认为就是电离损失和辐射损失之和，其他作用过程的能量损失可以忽略不计，因此：

对于重带电粒子，辐射损失可以忽略，公式（1-2-39）可改写为：

2.射程

带电粒子在与物质的相互作用过程中，不断地损失其动能，最终将损失所有的动能而停止运动（不包括热运动）。粒子从入射位置至完全停止位置沿运动轨迹所经过的距离称为路径长度；沿入射方向从入射位置至完全停止位置所经过的距离称为射程。粒子的运动轨迹是曲折的，因此射程总是小于路径长度。粒子与物质的相互作用是一个随机过程，每个相同能量入射粒子的路径长度和射程均可能不一样，整个粒子束的路径长度和射程将构成统计分布。平均路径长度用来描述路径长度的分布特点，而平均射程和外推射程等概念用来描述射程分布特点。

重带电粒子因其质量大，与核外电子的一次碰撞只损失很小一部分能量，运动方向也改变很小，并且与原子核发生弹性散射的概率小，其运动路径比较直，因此粒子数随吸收块厚度变化曲线表现为开始时部分平坦和尾部快速下降。电子因质量小，每次碰撞的电离损失和辐射损失比重带电粒子大得多，同时运动方向改变大，并且与原子核发生弹性碰撞概率大，其运动路径曲折，粒子的射程分布在一个很宽范围，也就是说电子的射程发生了较严重的歧离，因此粒子数随厚度变化曲线呈逐渐下降趋势（图1-2-14）。

外推射程（Re）定义为粒子数随吸收块厚度（Rg）变化曲线最陡部分做切线外推与横坐标相交，相交位置对应的吸收块厚度。

3.比电离

带电粒子穿过靶物质时使物质原子电离产生电子-离子对，单位路程上产生的电子-离子对数量称为比电离，它与带电粒子在靶物质中的碰撞阻止本领成正比。从理论上分析，由于碰撞阻止本领近似与带电粒子速度平方成反比，因此当粒子接近其路程的末端时，碰撞阻止本领和比电离达到最大值，越过峰值以后，由于粒子能量几乎耗尽，碰撞阻止本领和比电离很快下降到零。从实验测量结果看，重带电粒子束的比电离曲线和百分深度剂量曲线尾部均可以观察到明显的峰值（称为布拉格峰），而在电子束的比电离曲线和百分深度剂量曲线尾部均观察不到峰值，这是由于电子束的能量歧离和射程岐离现象严重。所谓能量歧离和射程岐离是指一束相同能量的入射粒子穿过相同厚度的靶物质，其能量和射程并不完全相同的现象。利用重带电粒子束（主要是质子和负π介子）实施放疗，可以通过调整布拉格峰的位置和宽度使其正好包括靶区，从而达到提高靶区剂量和减少正常组织受照剂量的目的，这正是重带电粒子束相对光子、电子和中子束等所具有的剂量学优点。

4.传能线密度（linear energy transfer，LET）

是描述辐射品质的物理量，定义为dE除以dl而得的商，即：

公式中，L△是传能线密度，dE是特定能量带电粒子在物质中穿行dl距离时，由能量转移小于某一特定值（△）的历次碰撞所造成的能量损失。上述定义中的△是能量截止值，即凡小于△值的能量转移值碰撞所造成的能量传递均认为是在局部授予物质的。△值常以“电子伏特”为单位。至于△值的大小，很大程度上取决于有关授予能量微观分布的那个质量元的大小。通常传递给次级电子的能量超过100eV时就认为构成一条独立的δ径迹。

由定义可知，当△值很小时，L△会明显小于，随△值增大，L△与差别逐渐减小；当△→∞时，。

重带电粒子的能量损失沿其径迹的分布要比电子的密集得多，因而它们具有较高的L△值和值。

生物效应依赖于电离辐射微观体积内局部授予的能量。就一级近似而言，L∞相等的辐射预期能产生相同的生物效应，L∞高的辐射比L∞低的辐射有更高的生物学效能。

二、X（γ）射线与物质的相互作用

X（γ）射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线一样，都是电磁辐射，但波长比紫外线更短，在干涉、衍射、偏振这些现象上表现出波动性；同时，X（γ）射线也是一种粒子，即X（γ）光子，在与物质相互作用过程中的大多数情况又表现出其粒子性。如果电磁波的频率为v，波长为λ，则一个光子的能量E=hv=hc/λ，其中h是普朗克常数，c是光在真空中的速度。与带电粒子相比，X（γ）射线与物质的相互作用表现出不同的特点：①X（γ）光子不能直接引起物质原子电离或激发，而是首先把能量传递给带电粒子；②X（γ）光子与物质的一次相互作用可以损失其能量的全部或很大一部分，而带电粒子则通过许多次相互作用逐渐损失能量；③X（γ）光子束入射到物体时，其强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子有确定的射程，在射程之外观察不到带电粒子。X（γ）射线与物质相互作用的主要过程有光电效应、康普顿效应和电子对效应；其他次要的作用过程有相干散射、光致核反应等。本章将重点讨论3个主要作用以及它们对X（γ）射线能量在介质中的转移和吸收的相对重要性，并扼要介绍其他次要过程。

（一）光子与物质相互作用系数

1.截面和微分截面

截面（cross section）是描述粒子与物质相互作用概率的物理量，定义为一个入射粒子与单位面积上一个靶粒子发生相互作用的概率，用符号σ表示。靶粒子可以是原子、原子核或核外电子，相应的截面称原子截面、原子核截面或电子截面。σ的SI单位是m2，专用单位是靶恩（barn，b），1b=10-24cm2=10-28m2。

如果一个入射粒子与物质有多种独立的相互作用方式，则相互作用总截面等于各种作用截面之和：

如果以粒子的入射方向为z轴建立图1-2-15所示的球坐标系，则当作用发生后，入射粒子、靶粒子或作用过程中产生的新粒子将沿以（θ，φ）表示的某方向飞行，并且同一种粒子沿不同方向飞行的概率可能不相同，因此需要有一个物理量——微分截面（differential cross section）来描述相互作用后某种粒子的角分布特征。微分截面的物理含义是一个入射粒子与单位面积上一个靶粒子发生相互作用，并且作用后粒子飞行在某方向单位立体角内的概率，用表示，在球坐标系中dΩ=sinθ dθ dφ。以康普顿效应为例，当入射光子与原子核外层电子发生相互碰撞后，入射光子改变运动方向，被称为散射光子，电子离开原来的位置，被称为反冲电子，因此散射光子和反冲电子都有各自的微分截面。

2.线性衰减系数与截面的关系

考虑一单能平行X（γ）光子束水平入射到物质中，其穿射情况见图1-2-16。设靶物质单位体积的靶粒子数为n，密度为ρ；在厚度t=0处，与X（γ）光子束入射方向垂直的单位面积上的光子数为I0；在厚度t处，单位面积上的光子数为I；穿过dt薄层时，有dI个光子与物质发生了相互作用。从前面的介绍可知，X（γ）光子与靶物质可能发生光电效应、康普顿散射、电子对效应等形式的相互作用。一旦发生这些相互作用，X（γ）光子或者损失其全部能量而消失，或者损失部分能量并偏离入射方向，或者不损失能量仅偏离方向。如果散射光子不会照射到探测器，则探测器测量到的就是未与物质发生相互作用的光子，因而测量到的光子数量变化就是（-dI）。根据截面定义可得到如下的微分方程：

根据初始条件t=0时，I=I0，解微分方程得：

公式（1-2-45）中，μ表示X（γ）光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率，称为线性衰减系数（linear attenuation coefficient），单位是m-1或cm-1。由公式（1-2-43）和公式（1-2-45）可得，因此线性衰减系数也表示X（γ）光子束穿过靶物质时在单位厚度上入射X（γ）光子数减少的百分数。

对于每一种相互作用形式，可以定义相应的线性衰减系数，总线性衰减系数等于各种相互作用的线性衰减系数之和：

质量衰减系数（mass attenuation coefficient）表示X（γ）光子与每单位质量厚度物质发生相互作用的概率，等于线性衰减系数除以物质密度之商，单位是m2/kg或cm2/g。

任何物质都会热胀冷缩，并且有气、液和固的三相变化，也就是说物质密度会随温度和/或气压的变化而变化，因此线性衰减系数也将随温度和/或气压的变化而变化。由定义知，质量衰减系数与物质密度无关，不管物质的热力学状态如何，它的质量衰减系数都是相同的，因此在许多情况，使用质量衰减系数比线性衰减系数方便。

3.线性能量转移系数和质能转移系数

线性能量转移系数（linear energy transfer coefficient）定义为X（γ）光子在物质中穿行单位距离时，其总能量由于各种相互作用而转移为带电粒子动能的份额，用符号μtr表示，单位为m-1或cm-1。设光子能量为hv，其中转移为带电粒子动能的部分为Etr，则μtr和μ的关系可表示为：

对于X（γ）光子与物质相互作用的每一种形式，如果相互作用时有能量转移，就可以定义相应的线性能量转移系数，总转移系数等于各转移系数之和：

质能转移系数（mass energy transfer coefficient）定义为dEtr/EN除以ρ dl而得的商，即：

公式中，ρ为物质密度，dEtr/EN是该能量的入射X（γ）光子穿过质量厚度为ρ dl的物质层时，其总能量中，因相互作用而转移为带电粒子动能的份额，E是入射X（γ）光子的能量，N是入射X（γ）光子数。

质能吸收系数定义为X（γ）光子在物质中穿过单位质量厚度时，其能量真正被受照物质吸收的那部分所占的份额。X（γ）光子转移给次级电子的动能，有一部分通过轫致辐射和湮没辐射而损失掉，真正被物质所吸收的能量应等于X（γ）光子转移给次级电子的动能减去因辐射而损失的能量，因此质能吸收系数（mass energy absorption co efficient）和质能转移系数之间的关系可表示为：

公式中，g为次级电子的动能因辐射而损失的份额。

质能转移系数和质能吸收系数均与质量衰减系数具有相同的量纲，它们的单位也是m2/kg或cm2/g。

4.半价层（half-value layer，HVL）

定义为X（γ）射线束流强衰减到其初始值1/2时所需的某种物质的衰减块厚度，它与线性衰减系数μ的关系可表示为：

与μ的意义一样，HVL亦是X（γ）光子能量和衰减物质材料的函数，当指明衰减材料后，HVL表示该种物质对X（γ）光子的衰减能力。

5.平均自由程（l）

定义为X（γ）光子与物质发生相互作用前平均的自由运动距离。l与μ的关系类似τ与λ的关系：l=1/μ。

（二）光电效应

1.作用过程

能量为hv的X（γ）光子与物质原子的轨道电子发生相互作用，把全部能量传递给对方，X（γ）光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子（称为光电子）；原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射特征X射线或俄歇电子的形式很快回到基态，这个过程称为光电效应（图1-2-17）。

由能量守恒定律知，发生光电效应时，入射X（γ）光子能量（hv）和光电子的动能（E）满足关系：

公式中，Bi为原子第i层电子的结合能，与原子序数和壳层数有关。

2.作用系数

K层和L层电子发生光电效应的概率最大，如果入射X（γ）光子的能量大于K层电子结合能，则K层电子光电效应截面占原子总截面的80%以上。当入射X（γ）光子能量大于K层电子结合能时，每个原子的光电效应总截面（στ）与原子序数、X（γ）光子能量之间的关系可表示为：

公式中，n是原子序数的函数，低原子序数材料的n近似取4，高原子序数材料的n近似取4.8。

原子的光电效应总截面和光电线性衰减系数与Z的4~4.8次方成正比，光电质量衰减系数与Z的3~3.8次方成正比；随原子序数的增大，光电效应发生的概率迅速增加，也就是说，电子在原子中束缚得越紧，其参与光电效应的概率越大。随能量增大，光电效应发生的概率迅速减小。于是，入射X（γ）光子的能量最终转化为两部分，一部分为次级电子（光电子和俄歇电子）的动能，另一部分为特征X射线能量。

3.光电子的角分布

相对于X（γ）光子的入射方向，光电子沿不同角度方向运动概率不同，形成所谓的角分布。在90°和180°方向没有光电子，而在某一角度光电子出现概率最大；当入射X（γ）光子能量很低时，垂直入射方向出现概率最大；随入射X（γ）光子能量增加，角分布逐渐倾向沿光子入射方向。

（三）康普顿效应

当入射X（γ）光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子，此种作用过程称为康普顿效应。损失能量后的X（γ）光子称散射光子，获得能量的电子称反冲电子。考虑到相对康普顿效应占优势的光子能量范围，轨道电子的结合能很小，因此在推导有关的计算公式时，往往忽略结合能的作用，把康普顿效应看作光子和处于静止的自由电子之间的弹性碰撞（图1-2-18）。

设散射光子与入射方向成θ角，反冲电子与入射方向成φ角，则可以由相对论的能量和动量守恒定律，推导出散射光子能量（hv'）和反冲电子动能（E）的计算公式为：

公式中，α为入射X（γ）光子能量（hv）和电子静止能量（mec2）的比值，mec2=0.511MeV。

反冲角φ和散射角θ之间的关系为：

公式（1-2-55）说明，在入射X（γ）光子能量一定的情况，散射光子能量随散射角增大而减小，相应地反冲电子动能将增大。在散射角一定的情况下，散射光子能量随入射X（γ）光子能量增大而增大，但增大的速度逐渐减慢；反冲电子动能随入射X（γ）光子能量增大而同速增大。

每个原子的康普顿效应总截面、转移截面和散射截面均与原子序数成正比。普顿效应线性衰减系数μc，线性能量转移系数μc，tr分别近似等于电子截面eσ，eσtr与物质电子密度ne的乘积。由于所有物质的每克电子数均十分接近（氢除外），故康普顿效应的质量衰减系数和质能转移系数与原子序数近似无关。也就是说，所有物质的这些系数值都基本相等。

（四）电子对效应

当X（γ）光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场的作用下形成一对正负电子，此过程称电子对效应（图1-2-19）。与光电效应类似，电子对效应除涉及入射X（γ）光子和轨道电子以外，还需要有原子核参加，才能满足动量守恒定律。原子核质量大，它获得的能量可忽略，因此可认为X（γ）光子能量的一部分转变为正负电子的静止能量2mec2，另一部分作为正负电子的动能E+和E-。

由公式（1-2-57）知，只有当入射X（γ）光子能量大于2mec2=1.02MeV时，才能发生电子对效应。对一定能量的入射X（γ）光子，电子对的动能之和为常数，但单个电子的动能可以取0到（hv-2mec2）之间的任意值，如对于20MeV的X（γ）光子，正或负电子的动能分布在0~18.98MeV范围，但出现在整个范围中间部分的电子数量比两端多。正负电子的角分布与X（γ）光子能量的关系和光电子与能量的关系相似，即随入射X（γ）光子能量的增加正负电子的角分布趋向于光子的入射方向。

获得动能的正负电子在物质中通过电离或辐射的方式损失能量。当正电子停止下来时，它和一个自由电子结合而转变为两个光子，此过程称电子对湮没，湮没时放出的光子属湮没辐射。根据能量和动量守恒定律，两个光子的能量均为0.511MeV，飞行方向正好相反。由上可知，经电子对湮没后，入射X（γ）光子的能量最终将转化为两部分，一部分是正负电子的动能，其份额是（1-2mec2/hv），另一部分是次级光子的能量，其份额是2mec2/hv。

电子对效应的质量衰减系数与原子序数成正比；当能量较低时，随X（γ）光子能量线性增加；当能量较高时，随X（γ）光子能量的变化逐渐变慢。质能转移系数随原子序数和光子能量的变化情况也是如此。

（五）光子与物质的其他相互作用过程

1.相干散射

X（γ）光子具有波粒二象性，既是粒子也是电磁波。当入射电磁波从原子附近经过时，引起轨道电子共振，振荡电子将发射波长相同但方向不同的电磁波，不同轨道电子发射的电磁波具有相干性，故称此过程为相干散射，又称瑞利散射。在相干散射过程中，X（γ）光子仅改变运动方向而没有能量转移。

2.光核反应

X（γ）光子与原子核作用引起的核反应称光核反应。常见的反应类型有（γ，p）（γ，n）。光核反应是有阈能的反应。当X（γ）光子能量大于阈能时，反应截面随X（γ）光子能量增加而增大，当X（γ）光子能量大于阈能数个MeV时反应截面达到最大，此后随X（γ）光子能量增加而减小。

由于光核反应截面很小，在剂量学考虑中往往忽略光核反应的贡献。但在机房防护设计时，如果加速器X射线能量大于10MeV，则需要考虑（γ，n）反应。这是因为，一方面中子比光子更容易从迷道中逸出，另一方面反应后的核素具有短寿命的β+衰变（半衰期约为10min）。

（六）各种相互作用的总系数和相对重要性

1.单质的作用系数

在上述5种作用形式中，光电效应、康普顿效应和电子对效应是主要作用形式，相干散射对总截面的贡献很小但不可忽略，光核反应的贡献可以忽略。故光子与物质相互作用的原子总截面：

得总线性衰减系数：

相应地，总质量衰减系数：

相干散射过程中没有能量转移，故总线性能量转移系数：

相应地，总质能转移系数：

由公式（1-2-60）和（1-2-61）知，总质能吸收系数：

2.化合物或混合物的作用系数

对于已知元素的原子构成的化合物或其混合物，其质量衰减系数和质能转移系数分别为：

公式中，下标1、2……分别表示一种构成元素；w1、w2……分别表示构成元素原子的质量份额。

质能吸收系数：

公式中，g表示化合物或混合物原子中次级带电粒子动能因辐射而损失的份额：

3.化合物或混合物的有效原子序数

X（γ）光子与化合物或混合物的相互作用可以等效为X（γ）光子与某种单质的相互作用，这种单质的原子序数称为化合物或混合物的有效原子序数（effective atomic number），可用符号Z表示。在X（γ）光子与物质相互作用的3种主要形式中，原子序数对光电效应影响最大，因此有效原子序数一般针对光电效应计算：

公式中，α1、α2……αn是构成元素原子的电子数份额；m可以在3~3.8的范围取值，在这个范围内取不同的值对结果的影响很小。

对于化合物，电子数份额可直接由分子结构式确定。对于混合物，电子数份额可根据下面的公式由质量份额计算得到：

公式中，j表示某一种构成元素，αj和wj，表示某种构成元素原子在混合物中所占电子数份额和质量份额，Zj和Mj表示某种构成元素的原子序数和原子量；n是构成元素的种类数；i是构成元素编号，取值可以从1到n。

4.各种相互作用的相对重要性

X（γ）光子与物质相互作用的3种主要形式与X（γ）光子能量、吸收物质原子序数的关系各不相同，表现为对不同原子序数在不同能量范围，它们的作用截面占总截面的份额有变化。如图1-2-20，左侧曲线表示光电效应和康普顿效应截面相等，右侧曲线表示康普顿效应-和电子对效应截面相等。在10keV~100MeV能量范围的低端部分光电效应占优势，中间部分康普顿效应占优势，高端部分电子对效应占优势；例如对于水，3种效应占优势的能量范围依次是10~30keV、30keV~25MeV、25~100MeV。