Как да изчислим рентгеновата енергия

Общата формула за енергия на един фотон от електромагнитна вълна, като рентгенова снимка, се дава отУравнение на Планк​:

в която енергияЕв джаули е равно на произведението на константата на Планкз​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) и честотатаν(произнася се „nu“) в единици s^-1. За дадена честота на електромагнитна вълна можете да изчислите свързаната рентгенова енергия за един фотон, използвайки това уравнение. Прилага се за всички форми на електромагнитно излъчване, включително видима светлина, гама лъчи и рентгенови лъчи.

•••Syed Hussain Ather

Уравнението на Планк зависи от вълноподобни свойства на светлината. Ако си представите светлината като вълна, както е показано на диаграмата по-горе, можете да си представите, че тя има амплитуда, честота и дължина на вълната точно както океанската вълна или звуковата вълна може. Амплитудата измерва височината на един гребен, както е показано и обикновено съответства на яркостта или интензитет на вълната, а дължината на вълната измерва хоризонталното разстояние, което пълният цикъл на вълната корици. Честотата е броят на пълните дължини на вълните, които минават през дадена точка всяка секунда.

•••Syed Hussain Ather

Като част от електромагнитния спектър можете да определите честотата или дължината на вълната на рентгеновия лъч, когато познавате едното или другото. Подобно на уравнението на Планк, тази честотаνна електромагнитна вълна се отнася до скоростта на светлината° С, 3 x 10^-8 m / s, с уравнението

в която λ е дължината на вълната на вълната. Скоростта на светлината остава постоянна във всички ситуации и примери, така че това уравнение показва как честотата и дължината на вълната на електромагнитната вълна са обратно пропорционални една на друга.

В горната диаграма са показани различните дължини на вълните на различните видове вълни. Рентгеновите лъчи лежат между ултравиолетовите (UV) и гама лъчите в спектъра, така че рентгеновите свойства на дължината на вълната и честотата падат между тях.

По-късите дължини на вълните показват по-голяма енергия и честота, които могат да представляват риск за човешкото здраве. Слънцезащитните кремове, които блокират срещу ултравиолетовите лъчи и защитните палта и екрани от олово, които блокират проникването на рентгеновите лъчи в кожата, демонстрират тази сила. Гама лъчите от космоса за щастие се абсорбират от земната атмосфера, като им пречат да навредят на хората.

И накрая, честотата може да бъде свързана с периодаTза секунди с уравнението

Тези рентгенови свойства могат да се прилагат и за други форми на електромагнитно излъчване. Рентгеновото лъчение по-специално показва тези вълноподобни свойства, но също и подобни на частици.

В допълнение към поведението, подобно на вълната, рентгеновите лъчи се държат като поток от частици, сякаш една вълна от рентгенови лъчи се състои от една частица след друга, която се сблъсква с предмети и при сблъсък поглъща, отразява или преминава през.

Тъй като уравнението на Планк използва енергия под формата на единични фотони, учените казват, че електромагнитните светлинни вълни са „квантувани“ в тези „пакети“ от енергия. Те са направени от специфични количества фотони, които носят отделни количества енергия, наречени кванти. Тъй като атомите абсорбират или излъчват фотони, те съответно увеличават енергията или я губят. Тази енергия може да приеме формата на електромагнитно излъчване.

През 1923 г. американският физик Уилям Дуейн обяснява как рентгеновите лъчи ще дифрактират в кристали чрез тези поведения, подобни на частици. Дуейн използва квантовия пренос на импулса от геометричната структура на дифрагиращия кристал, за да обясни как различните рентгенови вълни ще се държат при преминаване през материала.

Рентгеновите лъчи, подобно на други форми на електромагнитно излъчване, показват тази двойственост на вълновите частици, която позволява на учените да опишат поведението си така, сякаш са едновременно частици и вълни. Те текат като вълни с дължина и честота на вълната, докато излъчват количества частици, сякаш са лъчи от частици.

Името на немския физик Максуел Планк, уравнението на Планк диктува, че светлината се държи по този вълнообразен начин, светлината също показва свойства, подобни на частици. Тази двойственост на светлината на вълновите частици означава, че въпреки че енергията на светлината зависи от нейната честота, тя все пак идва в отделни количества енергия, продиктувани от фотоните.

Когато фотоните на рентгеновите лъчи влязат в контакт с различни материали, някои от тях се абсорбират от материала, докато други преминават през тях. Рентгеновите лъчи, които преминават, позволяват на лекарите да създават вътрешни образи на човешкото тяло.

Медицината, индустрията и различни области на изследване чрез физика и химия използват рентгеновите лъчи по различни начини. Изследователите на медицински изображения използват рентгенови лъчи при създаването на диагнози за лечение на състояния в човешкото тяло. Радиотерапията има приложение при лечението на рак.

Индустриалните инженери използват рентгенови лъчи, за да гарантират, че металите и другите материали имат подходящите свойства, необходими за цели като идентифициране на пукнатини в сгради или създаване на конструкции, които могат да издържат на големи количества натиск.

Изследванията върху рентгеновите лъчи в синхротронни съоръжения позволяват на компаниите да произвеждат научни инструменти, използвани в спектроскопията и изображенията. Тези синхротрони използват големи магнити, за да огъват светлината и да принуждават фотоните да поемат вълнообразни траектории, когато рентгеновите лъчи са ускорени с кръгови движения в тези съоръжения, тяхното излъчване става линейно поляризирано, за да произведе големи количества от мощност. След това машината пренасочва рентгеновите лъчи към други ускорители и съоръжения за изследвания.

Приложенията на рентгеновите лъчи в медицината създадоха изцяло нови, иновативни методи за лечение. Рентгеновите лъчи станаха неразделна част от процеса на идентифициране на симптомите в тялото чрез тяхната неинвазивна природа, която ще им позволи да диагностицират, без да е необходимо физически да влязат в тялото. Рентгеновите лъчи също имаха предимството да ръководят лекарите, докато вкарват, изваждат или модифицират медицински устройства в рамките на пациентите.

Има три основни вида рентгенови изображения, използвани в медицината. Първата, рентгенография, изобразява костната система само с малки количества радиация. Втората, флуороскопия, позволява на специалистите да виждат вътрешното състояние на пациента в реално време. Медицински изследователи са използвали това, за да хранят пациентите с барий, за да наблюдават работата на храносмилателния тракт и да диагностицират заболявания и разстройства на хранопровода.

И накрая, компютърната томография позволява на пациентите да легнат под пръстеновиден скенер, за да създадат триизмерно изображение на вътрешните органи и структури на пациента. Триизмерните изображения се събират заедно от много изображения в напречно сечение, направени на тялото на пациента.

Германският машинен инженер Вилхелм Конрад Рентген откри рентгенови лъчи, докато работеше с електронно-лъчеви тръби - устройство, което изстрелва електрони за получаване на изображения. Тръбата използва стъклен плик, който предпазва електродите във вакуум вътре в тръбата. Изпращайки електрически токове през тръбата, Рентген наблюдава как различни електромагнитни вълни се излъчват от устройството.

Когато Рентген използва дебела черна хартия за защита на тръбата, той открива, че тръбата излъчва зелена флуоресцентна светлина, рентгенова снимка, която може да премине през хартията и да енергизира други материали. Той открива, че когато заредени електрони с определено количество енергия се сблъскат с материал, се получават рентгенови лъчи.

Наричайки ги „рентгенови лъчи“, Рентген се надяваше да улови тяхната загадъчна, непозната природа. Рентген откри, че може да премине през човешката тъкан, но не и през костите, нито метала. В края на 1895 г. инженерът създава изображение на ръката на съпругата си, използвайки рентгеновите лъчи, както и изображение на тежести в кутия, забележителен подвиг в рентгеновата история.

Скоро учените и инженерите са привлечени от мистериозната природа на рентгена и започват да изследват възможностите за използване на рентгенови лъчи. Рентгенът (R) ще се превърне в несъществуваща единица за измерване на излагането на радиация, която ще бъде определена като количество на експозицията, необходима, за да се направи една положителна и отрицателна единица електростатичен заряд за сух въздух.

Създаване на изображения на вътрешните скелетни и органни структури на хора и други същества, хирурзи и медицински изследователите създадоха иновативни техники за разбиране на човешкото тяло или за установяване къде се намират куршумите ранени войници.

Към 1896 г. учените вече прилагат техниките, за да разберат през какви типове материя могат да преминат рентгеновите лъчи. За съжаление тръбите, които произвеждат рентгенови лъчи, биха се разпаднали под голямото напрежение, необходимо за промишлени цели, до тръбите на Кулидж през 1913 г. на американския физик-инженер Уилям Д. Кулидж използва волфрамова нишка за по-точна визуализация в новородената област на радиологията. Работата на Кулидж би заземила рентгеновите тръби здраво във физическите изследвания.

Индустриалната работа започна с производството на електрически крушки, флуоресцентни лампи и вакуумни тръби. Производствените предприятия произвеждат рентгенови снимки, рентгенови изображения на стоманени тръби, за да проверят тяхната вътрешна структура и състав. Към 30-те години General Electric Company произвежда един милион рентгенови генератори за индустриална радиография. Американското общество на машинните инженери започна да използва рентгенови лъчи за сливане на заварени съдове под налягане.

Като се има предвид колко енергия рентгеновите лъчи се опаковат с техните къси дължини на вълните и високи честоти, тъй като обществото възприема рентгеновите лъчи в различни области и дисциплини, излагането на рентгенови лъчи ще доведе до дразнене на очите, органна недостатъчност и изгаряния на кожата, понякога дори води до загуба на крайници и живее. Тези дължини на вълните на електромагнитния спектър могат да разкъсат химически връзки, които биха причинили мутации в ДНК или промени в молекулярната структура или клетъчната функция в живите тъкани.

По-скорошни изследвания на рентгеновите лъчи показват, че тези мутации и химични аберации могат да причинят рак и учените изчисляват, че 0,4% от раковите заболявания в САЩ са причинени от CT сканиране. С нарастването на популярността на рентгеновите лъчи изследователите започнаха да препоръчват нива на рентгеновата доза, които се считат за безопасни.

Докато обществото възприема силата на рентгеновите лъчи, лекари, учени и други специалисти започват да изразяват загрижеността си относно негативните ефекти на рентгеновите лъчи върху здравето. Докато изследователите наблюдават как рентгеновите лъчи ще преминават през тялото, без да обръщат голямо внимание на това как вълни, специално насочени към области на тялото, те нямаха основания да вярват, че рентгеновите лъчи могат да бъдат опасно.

Въпреки отрицателните последици от рентгеновите технологии върху човешкото здраве, техните ефекти могат да бъдат контролирани и поддържани, за да се предотврати ненужна вреда или риск. Докато ракът естествено засяга 1 от 5 американци, CT сканирането обикновено повишава риска от рак с .05 процента, а някои изследователи твърдят, че ниското излагане на рентгенови лъчи може дори да не допринася за риска на индивида от рак.

Човешкото тяло дори има вградени начини за възстановяване на щети, причинени от ниски дози рентгенови лъчи, според проучване в American Journal of Clinical Oncology, което предполага, че рентгеновите сканирания не представляват значителен риск при всичко.

Децата са изложени на по-голям риск от рак на мозъка и левкемия, когато са изложени на рентгенови лъчи. Поради тази причина, когато детето може да се нуждае от рентгеново сканиране, лекари и други специалисти обсъждат рисковете със настойници от семейството на детето, за да дадат съгласие.

Излагането на големи количества рентгенови лъчи може да доведе до повръщане, кървене, припадък, загуба на коса и загуба на кожа. Те могат да причинят мутации в ДНК, защото разполагат с достатъчно енергия, за да разрушат връзките между молекулите на ДНК.

Все още е трудно да се определи дали мутациите в ДНК се дължат на рентгеново лъчение или случайни мутации на самата ДНК. Учените могат да изследват естеството на мутациите, включително тяхната вероятност, етиология и честота, за да определят дали двуверижните разкъсвания в ДНК са резултат от рентгеново лъчение или случайни мутации на ДНК себе си.