كيفية حساب طاقة الأشعة السينية

يتم إعطاء الصيغة العامة للطاقة لفوتون واحد من موجة كهرومغناطيسية مثل الأشعة السينيةمعادلة بلانك​:

في أي طاقةهفي الجول يساوي حاصل ضرب ثابت بلانكح​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) والترددν(تُنطق "nu") بوحدات من s^-1. بالنسبة لتردد معين لموجة كهرومغناطيسية ، يمكنك حساب طاقة الأشعة السينية المرتبطة بفوتون واحد باستخدام هذه المعادلة. ينطبق على جميع أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي بما في ذلك الضوء المرئي وأشعة جاما والأشعة السينية.

•••سيد حسين أثير

تعتمد معادلة بلانك على الخصائص الموجية للضوء. إذا تخيلت الضوء كموجة كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه ، يمكنك أن تتخيل لها سعة وتردد وطول موجي تمامًا مثل موجة المحيط أو الموجة الصوتية. يقيس السعة ارتفاع قمة واحدة كما هو موضح ويتوافق عمومًا مع السطوع أو شدة الموجة ، ويقيس الطول الموجي المسافة الأفقية لدورة كاملة للموجة أغلفة. التردد هو عدد الأطوال الموجية الكاملة التي تمر بنقطة معينة كل ثانية.

•••سيد حسين أثير

كجزء من الطيف الكهرومغناطيسي ، يمكنك تحديد التردد أو الطول الموجي للأشعة السينية عندما تعرف أحدهما أو الآخر. على غرار معادلة بلانك ، هذا الترددνالموجة الكهرومغناطيسية تتعلق بسرعة الضوءج، 3 × 10^-8 م / ث ، مع المعادلة

حيث λ هو الطول الموجي للموجة. تظل سرعة الضوء ثابتة في جميع المواقف والأمثلة ، لذا توضح هذه المعادلة كيف يتناسب التردد والطول الموجي للموجة الكهرومغناطيسية عكسيًا مع بعضهما البعض.

في الرسم البياني أعلاه ، يتم عرض الأطوال الموجية المختلفة لأنواع مختلفة من الموجات. تقع الأشعة السينية بين الأشعة فوق البنفسجية (UV) وأشعة جاما في الطيف ، لذلك تقع خصائص الأشعة السينية لطول الموجة والتردد بينهما.

تشير الأطوال الموجية الأقصر إلى طاقة وتكرار أكبر يمكن أن يشكل مخاطر على صحة الإنسان. تُظهر هذه القوة الواقيات من الشمس التي تمنع الأشعة فوق البنفسجية والمعاطف الواقية ودروع الرصاص التي تمنع الأشعة السينية من دخول الجلد. لحسن الحظ ، يمتص الغلاف الجوي للأرض أشعة جاما من الفضاء الخارجي ، مما يمنعها من إيذاء الناس.

أخيرًا ، يمكن أن يكون التكرار مرتبطًا بالفترةتيبالثواني مع المعادلة

يمكن أن تنطبق خصائص الأشعة السينية هذه أيضًا على أشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي. يُظهر إشعاع الأشعة السينية على وجه الخصوص هذه الخصائص الشبيهة بالموجات ، ولكن أيضًا خصائص تشبه الجسيمات.

بالإضافة إلى السلوكيات الشبيهة بالموجات ، تتصرف الأشعة السينية مثل تيار من الجسيمات كما لو كانت موجة واحدة من الأشعة السينية يتألف من جسيم تلو الآخر يصطدم بالأشياء وعند الاصطدام يمتص أو ينعكس أو يمر عبر.

لأن معادلة بلانك تستخدم الطاقة في شكل فوتونات مفردة ، يقول العلماء إن الموجات الكهرومغناطيسية للضوء "مكمَّمة" في "حزم" الطاقة هذه. وهي مكونة من كميات محددة من الفوتون تحمل كميات منفصلة من الطاقة تسمى الكميات. عندما تمتص الذرات أو تنبعث منها الفوتونات ، فإنها تزداد في الطاقة أو تفقدها على التوالي. يمكن أن تأخذ هذه الطاقة شكل الإشعاع الكهرومغناطيسي.

في عام 1923 شرح الفيزيائي الأمريكي ويليام دوان كيف تنحرف الأشعة السينية في البلورات من خلال هذه السلوكيات الشبيهة بالجسيمات. استخدم دوان نقل الزخم الكمي من التركيب الهندسي لبلورة الحيود لشرح كيف ستتصرف موجات الأشعة السينية المختلفة عند المرور عبر المادة.

تُظهر الأشعة السينية ، مثل الأشكال الأخرى للإشعاع الكهرومغناطيسي ، ازدواجية الموجة والجسيمات التي تتيح للعلماء وصف سلوكهم كما لو كانوا جسيمات وموجات في نفس الوقت. تتدفق مثل الموجات ذات الطول الموجي والتردد بينما تنبعث منها كميات من الجسيمات كما لو كانت حزمًا من الجسيمات.

سميت على اسم الفيزيائي الألماني ماكسويل بلانك ، وتملي معادلة بلانك أن الضوء يتصرف بهذه الطريقة الموجية ، ويظهر الضوء أيضًا خصائص تشبه الجسيمات. تعني ازدواجية الضوء الموجة والجسيمية أنه على الرغم من أن طاقة الضوء تعتمد على ترددها ، إلا أنها لا تزال تأتي بكميات منفصلة من الطاقة التي تمليها الفوتونات.

عندما تتلامس فوتونات الأشعة السينية مع مواد مختلفة ، تمتص المادة بعضها بينما يمر البعض الآخر من خلالها. تسمح الأشعة السينية التي تمر عبرها للأطباء بإنشاء صور داخلية لجسم الإنسان.

يستخدم الطب والصناعة ومجالات البحث المختلفة من خلال الفيزياء والكيمياء الأشعة السينية بطرق مختلفة. يستخدم باحثو التصوير الطبي الأشعة السينية في إنشاء التشخيصات لعلاج الحالات داخل جسم الإنسان. العلاج الإشعاعي له تطبيقات في علاج السرطان.

يستخدم المهندسون الصناعيون الأشعة السينية لضمان تمتع المعادن والمواد الأخرى بالخصائص المناسبة اللازمة لها أغراض مثل تحديد الشقوق في المباني أو إنشاء هياكل يمكنها تحمل كميات كبيرة من الضغط.

يتيح البحث عن الأشعة السينية في مرافق السنكروترون للشركات تصنيع الأدوات العلمية المستخدمة في التحليل الطيفي والتصوير. تستخدم هذه السنكروترونات مغناطيسات كبيرة لثني الضوء وإجبار الفوتونات على اتخاذ مسارات تشبه الموجة عندما تكون الأشعة السينية تتسارع في حركات دائرية في هذه المرافق ، يصبح إشعاعها مستقطبًا خطيًا لإنتاج كميات كبيرة من قوة. تقوم الآلة بعد ذلك بإعادة توجيه الأشعة السينية نحو مسرعات ومرافق أخرى للبحث.

خلقت تطبيقات الأشعة السينية في الطب طرقًا جديدة ومبتكرة للعلاج. أصبحت الأشعة السينية جزءًا لا يتجزأ من عملية التعرف على الأعراض داخل الجسم من خلال طبيعتها غير الغازية التي من شأنها أن تسمح لهم بالتشخيص دون الحاجة إلى دخول الجسم جسديًا. تتمتع الأشعة السينية أيضًا بميزة توجيه الأطباء أثناء إدخالها أو إزالتها أو تعديلها للأجهزة الطبية داخل المرضى.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من التصوير بالأشعة السينية المستخدمة في الطب. الأول ، التصوير الشعاعي ، يصور نظام الهيكل العظمي بكميات صغيرة فقط من الإشعاع. أما الثاني ، وهو التنظير الفلوري ، فيتيح للمهنيين مشاهدة الحالة الداخلية للمريض في الوقت الفعلي. استخدم الباحثون الطبيون هذا لتغذية المرضى بالباريوم لمراقبة عمل الجهاز الهضمي وتشخيص أمراض واضطرابات المريء.

أخيرًا ، يتيح التصوير المقطعي المحوسب للمرضى الاستلقاء أسفل ماسح ضوئي على شكل حلقة لإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد لأعضاء وهياكل المريض الداخلية. يتم تجميع الصور ثلاثية الأبعاد معًا من العديد من الصور المقطعية المأخوذة لجسم المريض.

اكتشف المهندس الميكانيكي الألماني فيلهلم كونراد رونتجن الأشعة السينية أثناء عمله مع أنابيب أشعة الكاثود ، وهو جهاز يطلق الإلكترونات لإنتاج الصور. يستخدم الأنبوب مظروفًا زجاجيًا يحمي الأقطاب الكهربائية في فراغ داخل الأنبوب. من خلال إرسال تيارات كهربائية عبر الأنبوب ، لاحظ رونتجن كيف تنبعث موجات كهرومغناطيسية مختلفة من الجهاز.

عندما استخدم رونتجن ورقًا أسود سميكًا لحماية الأنبوب ، وجد أن الأنبوب ينبعث منه ضوء فلورسنت أخضر ، وهو أشعة سينية ، يمكن أن تمر عبر الورق وتنشط المواد الأخرى. وجد أنه عندما تصطدم الإلكترونات المشحونة بكمية معينة من الطاقة مع المادة ، يتم إنتاج الأشعة السينية.

أطلق عليها رونتجن تسمية "الأشعة السينية" ، وكان يأمل في التقاط طبيعتها الغامضة وغير المعروفة. اكتشف رونتجن أنه يمكن أن يمر عبر الأنسجة البشرية ، ولكن ليس من خلال العظام أو المعدن. في أواخر عام 1895 ، رسم المهندس صورة ليد زوجته باستخدام الأشعة السينية بالإضافة إلى صورة للأوزان في صندوق ، وهو إنجاز بارز في تاريخ الأشعة السينية.

سرعان ما انجذب العلماء والمهندسون إلى الطبيعة الغامضة للأشعة السينية وبدأوا في استكشاف إمكانيات استخدام الأشعة السينية. ذا رونتجن (ر) وحدة لم يعد لها وجود لقياس التعرض للإشعاع والتي سيتم تعريفها على أنها المقدار من التعرض الضروري لعمل وحدة واحدة موجبة وسالبة من الشحنة الكهروستاتيكية للهواء الجاف.

إنتاج صور الهياكل الداخلية للهيكل العظمي والأعضاء للإنسان والمخلوقات الأخرى والجراحين والأطباء ابتكر الباحثون تقنيات مبتكرة لفهم جسم الإنسان أو معرفة مكان وجود الرصاص الجنود الجرحى.

بحلول عام 1896 ، كان العلماء يطبقون بالفعل التقنيات لمعرفة أنواع المادة التي يمكن أن تمر الأشعة السينية من خلالها. لسوء الحظ ، ستنهار الأنابيب التي تنتج الأشعة السينية تحت الكميات الكبيرة من الجهد اللازم للأغراض الصناعية حتى عام 1913 أنابيب كوليدج للفيزيائي الأمريكي ويليام د. استخدم كوليدج خيوط التنجستن لتصور أكثر دقة في مجال الأشعة المولود حديثًا. سيؤدي عمل كوليدج إلى تأريض أنابيب الأشعة السينية بقوة في أبحاث الفيزياء.

انطلق العمل الصناعي بإنتاج المصابيح الكهربائية والمصابيح الفلورية والأنابيب المفرغة. أنتجت مصانع التصنيع صورًا بالأشعة وصورًا بالأشعة السينية لأنابيب فولاذية للتحقق من هياكلها الداخلية وتكوينها. بحلول الثلاثينيات من القرن الماضي ، أنتجت شركة جنرال إلكتريك مليون مولد للأشعة السينية للتصوير الشعاعي الصناعي. بدأت الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين باستخدام الأشعة السينية لدمج أوعية الضغط الملحومة معًا.

بالنظر إلى مقدار الطاقة التي تحزمها الأشعة السينية بأطوالها الموجية القصيرة والترددات العالية ، حيث احتضن المجتمع الأشعة السينية في مختلف المجالات والتخصصات ، قد يؤدي التعرض للأشعة السينية إلى إصابة الأفراد بتهيج العين وفشل الأعضاء وحروق الجلد ، مما يؤدي أحيانًا إلى فقدان الأطراف و الأرواح. يمكن لهذه الأطوال الموجية للطيف الكهرومغناطيسي أن تكسر الروابط الكيميائية التي قد تسبب طفرات في الحمض النووي أو تغيرات في التركيب الجزيئي أو الوظيفة الخلوية في الأنسجة الحية.

أظهرت الأبحاث الحديثة حول الأشعة السينية أن هذه الطفرات والانحرافات الكيميائية يمكن أن تسبب السرطان ، ويقدر العلماء أن 0.4 ٪ من السرطانات في الولايات المتحدة ناتجة عن الأشعة المقطعية. مع ازدياد شعبية الأشعة السينية ، بدأ الباحثون في التوصية بمستويات جرعة الأشعة السينية التي اعتُبرت آمنة.

مع احتضان المجتمع لقوة الأشعة السينية ، بدأ الأطباء والعلماء وغيرهم من المتخصصين في التعبير عن مخاوفهم بشأن الآثار الصحية السلبية للأشعة السينية. كما لاحظ الباحثون كيف ستمر الأشعة السينية عبر الجسم دون الالتفات إلى كيفية مرور استهدفت الموجات مناطق من الجسم على وجه التحديد ، ولم يكن لديهم سبب للاعتقاد بأن الأشعة السينية قد تكون كذلك خطير.

على الرغم من الآثار السلبية لتقنيات الأشعة السينية على صحة الإنسان ، يمكن التحكم في آثارها والحفاظ عليها لمنع الأذى أو المخاطر غير الضرورية. في حين أن السرطان يصيب بشكل طبيعي 1 من كل 5 أمريكيين ، فإن الفحص بالأشعة المقطعية يزيد بشكل عام من خطر الإصابة بالسرطان بمقدار 0.05 في المائة ، ويقول بعض الباحثين أن التعرض المنخفض للأشعة السينية قد لا يساهم حتى في خطر إصابة الفرد سرطان.

أظهرت دراسة أن جسم الإنسان يمتلك طرقًا مدمجة لإصلاح الضرر الناجم عن الجرعات المنخفضة من الأشعة السينية. في المجلة الأمريكية لعلم الأورام السريري ، مما يشير إلى أن فحوصات الأشعة السينية لا تشكل أي خطر كبير الكل.

يتعرض الأطفال لخطر أكبر للإصابة بسرطان الدماغ وسرطان الدم عند تعرضهم للأشعة السينية. لهذا السبب ، عندما يحتاج الطفل إلى فحص بالأشعة السينية ، يناقش الأطباء وغيرهم من المهنيين المخاطر مع أولياء أمور أسرة الطفل لتقديم الموافقة.

يمكن أن يؤدي التعرض لكميات كبيرة من الأشعة السينية إلى القيء والنزيف والإغماء وفقدان الشعر وتساقط الجلد. يمكن أن تسبب طفرات في الحمض النووي لأن لديهم طاقة كافية فقط لكسر الروابط بين جزيئات الحمض النووي.

لا يزال من الصعب تحديد ما إذا كانت الطفرات في الحمض النووي ناتجة عن إشعاع الأشعة السينية أو الطفرات العشوائية للحمض النووي نفسه. يمكن للعلماء دراسة طبيعة الطفرات بما في ذلك احتمالية حدوثها ومسبباتها وتكرارها لتحديدها ما إذا كانت الشقوق المزدوجة في الحمض النووي ناتجة عن إشعاع الأشعة السينية أو الطفرات العشوائية للحمض النووي بحد ذاتها.