TÖÔNG TAÙC GIÖÕA ÑIEÄN TÖÛ VAØ VAÄT CHAÁT

1. TÖÔNG TAÙC GIÖÕA ÑIEÄN TÖÛ VAØ VAÄT CHAÁT

2. Chi tiết xin xem tại: http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html http://mientayvn.com/Tai_lieu_da_dich.html

3. Phổ điện từ

4. Tím Xanh dương Xanh laù caây Vaøng Cam Đỏ Tương tác của ánh sáng với Chất rắn • Ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác – một phần đi qua, một phần bị hấp thụ, một phần bị phản xạ tại mặt phân cách • I0 = IT + IA + IR • T + A + R = 1 • Các kim loại không trong suốt nên các phổ ánh sáng chỉ hoặc là hấp thụ, hoặc là phản xạ • Các vật liệu điện môi có thể trong suốt • Các chất bán dẫn có thể hoặc là trong suốt hoặc không trong suốt T độ truyền qua A độ hấp thụ R độ phản xạ

5. Tương tác với Điện tử và Nguyên tử • Hiện tượng quang học xảy ra trong lòng chất rắn bao gồm các tương tác giữa bức xạ điện từ với các điện tử, ion và nguyên tử • Hai trong các tương tác quan trọng nhất là sự phân cực điện tử(electronic polarization) vàsự chuyển mức năng lượng điện tử(electron energy transitions)

6. Tương tác với Điện tử và Nguyên tử Sự phân cực điện tử • Sóng điện từ là trường điện từ dao động nhanh • Ở khoảng tần số khả kiến, điện trường tương tác với đám mây điện tử bao quanh nguyên tử tạo nên sự phân cực điện tử, làm dịch chuyển đám mây điện tử một cách tương đối với hạt nhân nguyên tử  làm thay đổi hướng của thành phần điện trường Điện tử kích thích E = E4 - E2 = h42 E5 E4 Photon tới có tần số 42 Các trạng thái năng lượng của nguyên tử là không liên tục Năng lượng E3 E2 E1 Tia saùng khi truyền qua laøm meùo ñaùm maây điện tử

7. Tương tác với Điện tử và Nguyên tử Sự phân cực điện tử • Có 2 hệ quả của quá trình phân cực là • Một phần của năng lượng bức xạ có thể bị hấp thụ • Vận tốc của sóng ánh sáng bị chậm lại khi đi qua vật chất – có biểu hiện là sự khúc xạ trong vật chất đó • Sự hấp thụ và bức xạ của sóng điện từ làm xảy ra hiện tượngchuyển mức điện tử (electron transitions) từ trạng thái năng lượng này tới trạng thái năng lượng khác Điện tử kích thích E = E4 - E2 = h42 E5 E4 Photon tới có tần số 42 Các trạng thái năng lượng của nguyên tử là không liên tục Năng lượng E3 E2 Chỉ có những photon có tần số phù hợp với E của nguyên tử mới bị hấp thụ bời sự chuyển mức điện tử E1

8. Chuyển mức điện tử Trước phaùt xạ Phaùt xạ Sau phaùt xạ Photon chiếutới Photon bứcxạ Nguyeântử ở trạngthaùibịkíchthíchNguyeântử ở trạngthaùicơbản

9. ΔE = h 42 Chuyển mức điện tử • Sự hấp thụ và bức xạ sóng điện từ có thể tạo nênsự chuyển mức của các điện tử từ trạng thái năng lượng này sang trạng thái năng lượng khác • Một điện tử có thể được kích thích để từ một trạng thái bị chiếm có năng lượng E2 chuyển sang trạng thái đang còn trống ở mức năng lượng cao hơn ở E4 bằng cách hấp thụ một photon năng lượng E = h42

10. ΔE = h 42 Chuyển mức điện tử • Sự chuyển mức điện tử trong mô hình Bohr của nguyên tử Hydro • Khi điện tử nhảy đến quỹ đạo n = 2, nó phát ra photon có tần số nhìn thấy trên quang phổ vạch

11. ΔE = h Hấp thụ tự phát Bức xạ tự phát Bức xạ bị kích thích Chuyển mức điện tử • Sự thay đổi mức năng lượng điện tử của chuyển mức phụ thuộc vào tần số của bức xạ ΔE = h • Do các trạng thái năng lượng của nguyên tử là rời rạc  chỉ có mức ΔE = h xác định riêng biệt của nguyên tử là được hấp thụ bởi việc chuyển mức điện tử

12. Tương tác của bức xạ với vật chất

13. Tương tác của bức xạ điện từ với vật chất Số trạng thái năng lượng hấp thụ mạnh Số trạng thái năng lượng trong suốt Wavelength • Nếu không mức năng lượng lượng tử hóa tương ứng với mức năng lượng của bức xạ tới, vật liệu sẽ trong suốt với bức xạ đó

14. Tương tác tia X Tương tác tia X Năng lượng photon tia X cao hơn năng lượng ion hóa của nguyên tử • Năng lượng lượng tử của photon tia X quá lớn được hấp thụ bởi chuyển điện tử trong hầu hết nguyên tử - chỉ có kết quả có thể là lấy đi hoàn một điện tử từ nguyên tử • Do đó tất cả tia X là bức xạ ion hóa • Nếu tất cả năng lượng tia X được cho một điện tử, điều này được gọi là photoionization • Nếu một phần năng lượng được cho một điện tử phần còn lại chuyển thành photon năng lượng thấp hơn, điều này được gọi là tán xạ compton

15. Tương tác tử ngoại Photon tử ngoại cao hơn năng lượng ion hóa có thể phá vỡ nguyên tử hay phân tử Số trạng thái năng lượng hấp thụ mạnh Photon tử ngoại thấp hơn năng lượng ion hóa được hấp thụ mạnh sinh ra chuyển điện tử • Bức xạ UV gần (chỉ ngắn hơn bước sóng khả kiến) được hấp thụ rất mạnh ở lớp da bề mặt bởi chuyển điện tử • Ở năng lượng cao hơn, nhiều nguyên tử đạt đến năng lượng ion hóa và nhiều quá trình photoionization nguy hiểm xảy ra • Ánh nắng mặt trời là một hiệu ứng của bức xạ UV, và ion hóa sinh ra nguy cơ làm ung thư da

16. Tương tác của ánh sáng khả kiến Số trạng thái năng lượng hấp thụ mạnh • Ánh khả kiến cũng hấp thụ mạnh bởi chuyển điện tích • Ánh sáng đỏ hấp thụ ít hơn ánh sáng xanh • Hấp thụ của ánh sáng khả kiến gây nhiệt, nhưng không ion hóa • Màng chắn xe hơi truyền qua ánh sáng khả kiến nhưng hấp thụ tầng số UV cao hơn

17. Photon • Photon (sóng điện từ) • Tia X và tia gama • Không thể tương tác điện tử bởi vì không mang điện tích. • Khi photon tương tác với vật chất, nó phải tương tác trực tiếp • Nguyên tử như toàn bộ • Điện tử trên các lớp vỏ • Hạt nhân nguyên tử • Để mất năng lượng trong vật chất, photon chỉ có thể tương tác trực tiếp với nguyên tử và những thành phần của nó.

18. Các tương tác cơ bản • Tán xạ kết hợp (tán xạ cổ điển; tán xạ đàn hồi) • Hiệu ứng quang điện (hấp thụ) • Tán xạ Compton (tán xạ không đàn hồi) • Sản sinh cặp đôi

19. Xác suất • Photon sẽ tương tác theo bất kỳ cách thức tương tác đặc trưng nào bị ảnh hưởng trực tiếp bởi • Năng lượng photon tới • Photon tương tác với vật chất phụ thuộc mạnh vào năng lượng của chúng • Loại vật chất • Nhiều photon có thể xuyên qua chất hấp thụ mà không có tương tác nào (trong suốt)

20. Tán xạ kết hợp (Raleigh) • Photon tới có năng lượng E được hấp thụ tức thời bởi nguyên tử và tái bức xạ cùng năng lượng (E) với thay đổi nhẹ hướng ban đầu • Tính chất • Tán xạ đàn hồi • Năng lượng photon ↑ → xác suất ↓ • Bỏ qua một lượng nhỏ năng lượng lớn hơn 100keV • Xảy ra theo hướng thuận là chính • Bởi vì không có năng lượng chuyển thành động năng, Tán xạ này là giới hạn của y học phóng xạ. Ghi chú: Tán xạ Thompson do photon tương tác với điện tử tự do con tan xa Raleigh do photon tương tác với điện tử liên kết (như toàn bộ nguyên tử), cả hai đều là tán xá đàn hồi hay kết hợp.

21. Tán xạ Rayleigh • Photon tới tương tác và kích thích toàn bộ nguyên tử. • Xảy ra chính yếu với tia X chẩn đoán năng lượng thấp (15 đến 30 keV) • Ít hơn 5% tương tác trong mô mềm trên 70 keV; hầu hết chỉ có 12% ở ~30 keV • Tán xạ Rayleigh xảy ra khi kích thước hạt nhỏ hơn bước sóng ánh sáng • Ánh sáng có bước sóng ngắn bị tán xạ nhiều hơn ánh sáng có bước sóng dài, ánh sáng xanh bị tán xạ gấp 10 lần ánh sáng đỏ (tán xạ từ N2 và O2 của khí quyển trái đất, ánh sáng xanh tán xạ nhiều hơn một lần trước khi tới mắt người)

22. Tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh có thể cho thấy mật độ và nhiệt độ của nguyên tử và ion (hạt năng). Tán xạ Rayleigh cung cấp thông tin mật độ khí (ở nhiệt độ phòng). Điều này có thể đo mật độ của điện tử và nguyên tử trong plasma. Tán xạ Rayleigh—nguyên tử không bị kích thích cũng không bị ion hóa.

23. Tán xạ Rayleigh Dịch chuyển Stoke: Phân tử hấp thu một phần năng lượng, nên bức xạ bước sóng dài hơn Dịch chuyển anti-stoke: phân tử mất một phần năng lượng nên bức xạ ra năng lượng có bước sóng ngắn hơn

24. Hiệu ứng quang điện (hấp thụ) • Quan trọng bật nhất trong tương tác photon năng lượng thấp • Photon tới năng lượng thấp tương tác với • Điện tử lớp vỏ trong cùng • Điện tử đó được bức ra • Photon được hấp thụ hoàn toàn • PE đỏi hỏi • “mất” hay “hấp thụ hoàn toàn” photon. • Sản sinh • Ion dương • Bức xạ đặc trưng • Điện tử quang điện

25. Hiệu ứng quang điện • Photoelectron được nhận bất cứ khi nào kim loại được kích thích bởi ánh sáng có tần số  lớn hơn tần số ngưỡng tới hạn, không tương ứng với cường độ sáng. • Hiệu ứng quang điện có thể được giải thích nếu giả sử rằng E (được mang bởi ánh sáng) với lượng rời rạc. Lượng này chỉ phụ thuộc  và không phụ thuộc cường độI • ≡Einstein in 1905 ->Nobel Prize in 1921

26. Hiệu ứng quang điện Tiết diện ngang tán xạ vi mô: Hệ số suy giảm tuyến tính Hệ số suy giảm khối lượng:

27. Hấp thụ quang điện • Tất cả năng lượng photon tới được chuyển toàn bộ đến điện tử của lớp vỏ bên trong(K hay L), điện tử này được bức ra từ nguyên tử. • Động năng của eletron quang điện được bức ra (Ec) bằng năng lượng photon tới (E0) trừ năng lượng liên kết của điện tử quỷ đạo (Eb) Ec = Eo – Eb • Lỗ trống được lấp đầy bởi điện tử quĩ đạo ngoài có năng lượng liên kết nhỏ, lỗ trống của quỹ đạo này lại được lấp bởi điện tử ở quỹ đạo xa hơn • Năng lượng dư được giải phóng khi điện tử chuyển từ quĩ đạo ngoài vào trong, tạo ra bức xạ đặc trưng, năng lượng này bằng đúng hiệu năng lượng liên kết của hai quĩ đạo. • Năng lượng liên kết tăng theo số nguyên tử Z

28. Hấp thụ quang điện

29. Hấp thụ quang điện • Năng lượng photon tới phải lớn hơn hay bằng năng lượng điện tử bức ra. • Nguyên tử được ion hóa, với nút khuyết của lớp vỏ trong cùng • Điện tử tăng từ lớp vỏ ngoài vào trong • Xác suất của bức xạ tia X đặc trưng giảm khi Z giảm, năng lượng photon tăng. • Không xảy ra thường đối với tương tác photon năng lượng chẩn đoán trong mô mềm.

30. Hấp thụ quang điện • Xác suất hấp thụ quang điện mỗi đơn vị khối lượng của vật liệu tỉ lệ với (Z là số nguyên tử, E là năng lượng photon tới) • Không có photon ban đầu làm giảm hình ảnh • Tương phản hình ảnh giảm với năng lượng tia X cao hơn.

31. Hấp thụ quang điện • Ở năng lượng photon dưới 50 keV, hiệu ứng quang điện đóng một vai trò quan trọng trong việc ghi hình mô mềm. • Quá trình có thể được sử dụng với sự sai khác biên độ suy giảm giữa mô với số nguyên tử khác nhau chút ít, tăng cường tương phản hình ảnh • Quá trình quang điện chiếm ứu thế khi photon năng lượng thấp tương tác với vật liệu Z cao (screen phosphors, radiographic constrast agents, bone)

32. Phần trăm Compton và phân bố quang điện

33. Hấp thụ quang điện • Mặc dù xác suất hiệu ứng quang điện giảm với năng lượng photon tăng, có một ngoại lệ. • Tồn tại cạnh hấp thụ không liên tục và dốc • Năng lượng photon tương ứng với cạnh hấp thụ là năng lượng liên kết của điện tử trong vỏ đặc trưng.

34. Hệ số suy giảm khối lượng quang điện

35. Hấp thụ quang điện • Tiết diện ngang hấp thụ photon giảm mạnh với năng lượng photon ( Ep-3) • Năng lượng photon tăng tương đối với K, L, M,... • Tiết diện hấp thụ photon tăng mạnh với Z (~ Z3) • Hấp thụ photon ở lớp K luôn luôn trội • Trong mô, • Hệ số chuyển, hấp thụ và suy giảm gần bằng nhau.  Hấp thụ quang điện phụ thuộc: Z – số nguyên tử nguyên tố E – năng lượng bức xạ photon

36. Hấp thụ quang điện • Áp dụng đối với y học phóng xạ chẩn đoán • Hiệu ứng tốt: chất lượng hình ảnh tuyệt vời • Bức xạ không bị tán xạ • Tăng cường tương phản mô tự nhiên: mô xương/mềm • Hiệu ứng xấu; phơi bệnh nhân • PE : phần lớn năng lượng của photon tới bị hấp thụ. • CE : phần nhỏ năng lượng của photon tới bị hấp thụ. • Làm cực tiểu hiệu ứng hấp thụ quang điện • Kỹ thuật năng lượng cao • Phim tia X chẩn đoán chất lượng • Tương phản hình ảnh trpng PE là do hấp thụ photon tới khác nhau trong mô.

37. Hiệu ứng quang điện Tương tác giữa photon và toàn bộ nguyên tử. Photon với năng lượng lơn hơn công thoát, hay năng lượng liên kết của điện tử, có thể làm bức điện tử nguyên tử, với động năng EC: Ec = hu – Eb

38. Tia X đặc trưng • Bức xạ được sản sinh bởi chuyển điện tích trong một nguyên tử • Được sản sinh bởi hiệu ứng quang điện

39. Năng lượng liên kết của điện tử lớp vỏ của những nguyên tố quan trọng

40. Tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp) • Photon năng lượng trung bình làm bật điện tử lớp vỏ ngoài cùng • Kết quả sản sinh • Photon tán xạ năng lượng thấp hơn có năng lượng giảm, E’ • Điện tử bật ra Kết quả tán xạ Compton - Những yếu tố ion hóa : điện tử bật ra : ion dương - photon tán xạ năng lượng thấp hơn

41. Tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp) • Tiết diện ngang tán xạ Compton giảm theo năng lượng photon • Tiết diện ngang tán xạ Compton tăng theo mật độ điện tử re[electrons/cm3] • Phụ thuộc yếu theo Z • Hầu như độc lập với số nguyên tử  Tán xạ Compton phụ thuộc vào: E – năng lượng photon tán xạ re – mật độ điện tử

42. Năng lượng của photon tán xạ Compton theo góc lệch • Năng lượng cao  góc lệch ↓ : hướng thuận • Năng lượng thấp  góc lệch ↑ : hướng ngược trở lại • Dãy năng lượng chẩn đoán (40-150kVp) • : phân bố đối xứng cao

43. Tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp) • Hướng tán xạ của photon phụ thuộc vào năng lượng photon Ep: • Ep thấp xác suất “backscatter” cao (~180) • Ep cao  xác suất “forward scatter” cao (phân bố đỉnh,~ 0) incidentphotons 0 180

44. Tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp) 1. Bảo toàn năng lượng 2. Bảo toàn xung lượng

45. Tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp) Năng lượng điện tử bật ra Năng lượng photon lệch khi q = 180

46. Tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp) • Biểu thức cổ điển • Dịch bước sóng 2. Sự thay đổi năng lượng

47. Tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp) • A 210 keV photon is scattered at angle of 80 degree during a Compton interaction. What are the energies of the scattered photons and the compton electron?

48. Tán xạ Compton (tán xạ không kết hợp) • Xác định năng lượng cực đại của điện tử bật ra và năng lượng cực tiểu của photon tán xạ đối với E = 51.1 keV ? • Giải

49. Tán xạ Compton  = 00, h’max = h, Tmin = 0 • q = 1800,

50. Tán xạ Compton • Tương tác trội trong dãy năng lượng điều trị y học đối với mô mềm. • Tán xạ không đàn hồi • Xảy ra giữa photon và điện tử “hóa trị” vỏ ngoài • Điện tử được bức ra từ nguyên tử; photon được tán xạ, giảm năng lượng. • Năng lượng liên kết nhỏ, có thể bỏ qua