Jak vypočítat rentgenovou energii

Obecný vzorec pro energii jediného fotonu elektromagnetické vlny, jako je rentgen, je dán vztahemPlanckova rovnice​:

ve které energiiEv Joulech se rovná součinu Planckovy konstantyh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) a frekvenceν(vyslovuje se „nu“) v jednotkách s^-1. Pro danou frekvenci elektromagnetické vlny můžete pomocí této rovnice vypočítat související rentgenovou energii pro jeden foton. Platí pro všechny formy elektromagnetického záření, včetně viditelného světla, paprsků gama a rentgenového záření.

•••Syed Hussain Ather

Planckova rovnice závisí na vlnových vlastnostech světla. Pokud si představíte světlo jako vlnu, jak je znázorněno na obrázku výše, můžete si představit, že má amplitudu, frekvenci a vlnovou délku, stejně jako oceánská vlna nebo zvuková vlna. Amplituda měří výšku jednoho hřebenu, jak je znázorněno, a obecně odpovídá jasu nebo intenzita vlny a vlnová délka měří vodorovnou vzdálenost, která je úplným cyklem vlny kryty. Frekvence je počet plných vlnových délek, které projdou daným bodem každou sekundu.

•••Syed Hussain Ather

Jako součást elektromagnetického spektra můžete určit frekvenci nebo vlnovou délku rentgenového záření, pokud znáte jedno nebo druhé. Podobně jako Planckova rovnice, tato frekvenceνelektromagnetické vlny souvisí s rychlostí světlaC, 3 x 10^-8 m / s, s rovnicí

ve kterém λ je vlnová délka vlny. Rychlost světla zůstává ve všech situacích a příkladech konstantní, takže tato rovnice ukazuje, jak jsou frekvence a vlnová délka elektromagnetické vlny navzájem nepřímo úměrné.

Ve výše uvedeném diagramu jsou znázorněny různé vlnové délky různých typů vln. Rentgenové paprsky leží mezi ultrafialovým (UV) a gama paprskem ve spektru, takže rentgenové vlastnosti vlnové délky a frekvence mezi nimi klesají.

Kratší vlnové délky naznačují větší energii a frekvenci, které mohou představovat riziko pro lidské zdraví. Ochranu proti slunečnímu záření, která blokuje UV záření, a ochranné pláště a štíty olova, které blokují rentgenové paprsky ve vstupu do kůže, tuto sílu demonstrují. Gama paprsky z vesmíru jsou naštěstí absorbovány zemskou atmosférou, což jim brání ublížit lidem.

A konečně, frekvence může souviset s obdobímTběhem několika sekund s rovnicí

Tyto rentgenové vlastnosti se mohou vztahovat i na jiné formy elektromagnetického záření. Zejména rentgenové záření ukazuje tyto vlnové vlastnosti, ale také vlastnosti podobné částicím.

Kromě vlnového chování se rentgenové paprsky chovají jako proud částic, jako by jedna vlna rentgenového záření skládala se z jedné částice za druhou, která se srazila s objekty a při srážce pohltila, odrazila nebo projela přes.

Protože Planckova rovnice využívá energii ve formě jednotlivých fotonů, vědci tvrdí, že elektromagnetické vlny světla jsou „kvantovány“ do těchto „balíčků“ energie. Jsou vyrobeny ze specifického množství fotonu, které přenášejí diskrétní množství energie zvané kvanta. Když atomy absorbují nebo emitují fotony, zvyšují energii nebo ji ztrácejí. Tato energie může mít formu elektromagnetického záření.

V roce 1923 americký fyzik William Duane vysvětlil, jak by rentgenové paprsky difundovaly v krystalech prostřednictvím tohoto chování podobného částicím. Duane použil kvantovaný přenos hybnosti z geometrické struktury difrakčního krystalu k vysvětlení, jak by se různé rentgenové vlny chovaly při průchodu materiálem.

Rentgenové paprsky, stejně jako jiné formy elektromagnetického záření, vykazují tuto dualitu vln-částice, která umožňuje vědcům popsat jejich chování, jako by to byly částice i vlny současně. Proudí jako vlny s vlnovou délkou a frekvencí, přičemž emitují množství částic, jako by to byly paprsky částic.

Pojmenováno podle německého fyzika Maxwella Plancka, Planckova rovnice diktuje, že světlo se chová tímto vlnovitým způsobem, světlo také vykazuje vlastnosti podobné částicím. Tato dualita světla s vlnovými částicemi znamená, že ačkoli energie světla závisí na jeho frekvenci, stále přichází v diskrétních množstvích energie diktovaných fotony.

Když fotony rentgenových paprsků přijdou do kontaktu s různými materiály, některé z nich jsou absorbovány materiálem, zatímco jiné procházejí. Rentgenové paprsky, které procházejí, umožňují lékařům vytvářet vnitřní obrazy lidského těla.

Medicína, průmysl a různé oblasti výzkumu prostřednictvím fyziky a chemie používají rentgenové záření různými způsoby. Výzkumníci v oblasti lékařského zobrazování používají rentgenové paprsky k vytváření diagnóz k léčbě stavů v lidském těle. Radioterapie má aplikace v léčbě rakoviny.

Průmysloví inženýři používají rentgenové paprsky, aby zajistili, že kovy a jiné materiály mají odpovídající vlastnosti nezbytné pro účely, jako je identifikace trhlin v budovách nebo vytváření struktur, které vydrží velké množství tlak.

Výzkum rentgenových paprsků v synchrotronových zařízeních umožňuje společnostem vyrábět vědecké přístroje používané ve spektroskopii a zobrazování. Tyto synchrotrony používají velké magnety k ohýbání světla a nutí fotony, aby se ubíraly vlnovými trajektoriemi, když jsou rentgenové paprsky zrychleny v kruhových pohybech v těchto zařízeních, jejich záření se lineárně polarizuje a produkuje velké množství Napájení. Stroj poté přesměruje rentgenové záření na další urychlovače a zařízení pro výzkum.

Aplikace rentgenového záření v medicíně vytvořila zcela nové a inovativní metody léčby. Rentgenové paprsky se staly nedílnou součástí procesu identifikace příznaků v těle díky jejich neinvazivní povaze, která jim umožnila diagnostikovat bez nutnosti fyzického vstupu do těla. Rentgenové záření mělo také tu výhodu, že navádělo lékaře při zavádění, vyjímání nebo upravování zdravotnických prostředků u pacientů.

V medicíně se používají tři hlavní typy rentgenového záření. První, radiografie, zobrazuje kostní systém pouze s malým množstvím záření. Druhá, fluoroskopie, umožňuje profesionálům zobrazit vnitřní stav pacienta v reálném čase. Lékařští vědci to použili k nakrmení pacientů bariem, aby sledovali fungování jejich zažívacího traktu a diagnostikovali nemoci a poruchy jícnu.

Nakonec počítačová tomografie umožňuje pacientům ležet pod prstencovým skenerem a vytvářet tak trojrozměrný obraz vnitřních orgánů a struktur pacienta. Trojrozměrné obrazy jsou agregovány dohromady z mnoha průřezových snímků pořízených z těla pacienta.

Německý strojní inženýr Wilhelm Conrad Roentgen objevil rentgenové paprsky, když pracoval s katodovými trubicemi, zařízením, které k produkci obrazů vypalovalo elektrony. Trubice používala skleněnou obálku, která chránila elektrody ve vakuu uvnitř trubice. Vysíláním elektrických proudů trubicí Roentgen pozoroval, jak ze zařízení vyzařují různé elektromagnetické vlny.

Když Roentgen použil k ochraně trubice silný černý papír, zjistil, že trubice vyzařuje zelené fluorescenční světlo, rentgenové záření, které může procházet papírem a dodávat energii dalším materiálům. Zjistil, že při srážce nabitých elektronů o určitém množství energie s materiálem vznikají rentgenové paprsky.

Pojmenoval je „rentgenovými paprsky“ a doufal, že zachytí jejich tajemnou, neznámou povahu. Roentgen zjistil, že může procházet lidskou tkání, ale ne kostmi ani kovy. Na konci roku 1895 vytvořil inženýr pomocí rentgenového záření obraz své manželky a také obraz závaží v krabici, což je v historii rentgenových paprsků pozoruhodný výkon.

Vědci a inženýři se brzy nechali zlákat tajemnou povahou rentgenového záření a začali zkoumat možnosti využití rentgenového záření. Rentgen (R) by se stal dnes již zaniklou jednotkou měření radiační expozice, která by byla definována jako množství expozice nutné k vytvoření jediné kladné a záporné jednotky elektrostatického náboje pro suchý vzduch.

Vytváření obrazů vnitřních kosterních a orgánových struktur lidí a jiných tvorů, chirurgů a lékařů vědci vytvořili inovativní techniky porozumění lidskému tělu nebo zjišťování, kde se kulky nacházejí zraněných vojáků.

V roce 1896 již vědci používali techniky, aby zjistili, jaké typy rentgenových paprsků hmoty mohou projít. Trubky, které produkují rentgenové záření, se bohužel rozpadly pod velkým množstvím napětí potřebným pro průmyslové účely, dokud se neobjevily trubice Coolidge z roku 1913 amerického fyzika-inženýra Williama D. Coolidge použil wolframové vlákno pro přesnější vizualizaci v nově vzniklém poli radiologie. Práce Coolidge by pevně uzemnila rentgenové trubice ve fyzikálním výzkumu.

Průmyslové práce začaly s výrobou žárovek, zářivek a elektronek. Výrobní závody vyráběly rentgenové snímky, rentgenové snímky ocelových trubek, aby ověřily jejich vnitřní struktury a složení. Ve 30. letech General Electric Company vyrobila milion rentgenových generátorů pro průmyslovou rentgenografii. Americká společnost strojních inženýrů začala používat rentgenové paprsky ke spojování svařovaných tlakových nádob dohromady.

Vzhledem k tomu, kolik energie se rentgenové paprsky sbalí s jejich krátkými vlnovými délkami a vysokými frekvencemi, jak společnost přijímala rentgenové záření v různých oblastech a oborech, vystavení rentgenovým paprskům by u jednotlivců způsobilo podráždění očí, selhání orgánů a popáleniny kůže, někdy dokonce vedoucí ke ztrátě končetin a životy. Tyto vlnové délky elektromagnetického spektra by mohly narušit chemické vazby, které by způsobily mutace v DNA nebo změny molekulární struktury nebo buněčné funkce v živých tkáních.

Novější výzkum rentgenového záření ukázal, že tyto mutace a chemické aberace mohou způsobit rakovinu, a vědci odhadují, že 0,4% druhů rakoviny ve Spojených státech je způsobeno CT snímky. Jak popularita rentgenových paprsků rostla, vědci začali doporučovat úrovně dávkování rentgenových paprsků, které byly považovány za bezpečné.

Když společnost přijala sílu rentgenových paprsků, lékaři, vědci a další profesionálové začali vyjadřovat své obavy ohledně negativních účinků rentgenového záření na zdraví. Jak vědci pozorovali, jak rentgenové paprsky procházejí tělem, aniž by věnovali zvláštní pozornost tomu, jak vlny konkrétně zaměřené na oblasti těla, neměli žádný důvod se domnívat, že rentgenové záření může být nebezpečný.

Navzdory negativním dopadům rentgenových technologií na lidské zdraví lze jejich účinky kontrolovat a udržovat, aby se předešlo zbytečnému poškození nebo riziku. Zatímco rakovina přirozeně postihuje 1 z 5 Američanů, CT vyšetření obecně zvyšuje riziko rakoviny o 0,05 procent a někteří vědci tvrdí, že nízká rentgenová expozice nemusí ani přispívat k riziku jednotlivce rakovina.

Lidské tělo má podle studie dokonce zabudované způsoby, jak napravit škody způsobené nízkými dávkami rentgenového záření v American Journal of Clinical Oncology, což naznačuje, že rentgenové snímky nepředstavují žádné významné riziko Všechno.

Děti jsou při vystavení rentgenovému záření vystaveny většímu riziku rakoviny mozku a leukémie. Z tohoto důvodu, když dítě může vyžadovat rentgenové vyšetření, lékaři a další odborníci diskutují o rizicích s opatrovníky rodiny dítěte, aby poskytli souhlas.

Vystavení vysokému množství rentgenového záření může mít za následek zvracení, krvácení, mdloby, ztrátu vlasů a ztrátu pokožky. Mohou způsobit mutace v DNA, protože mají jen tolik energie, aby rozbily vazby mezi molekulami DNA.

Je stále obtížné určit, zda jsou mutace v DNA způsobeny rentgenovým zářením nebo náhodnými mutacemi samotné DNA. Vědci mohou studovat podstatu mutací, včetně jejich pravděpodobnosti, etiologie a četnosti zda byly dvouřetězcové zlomy v DNA výsledkem rentgenového záření nebo náhodných mutací DNA sám.