Sådan beregnes røntgenenergi

Den generelle formel for energi af en enkelt foton af en elektromagnetisk bølge såsom en røntgen er givet afPlancks ligning​:

i hvilken energiEi Joule er lig med produktet af Plancks konstanth​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) og frekvensenν(udtalt "nu") i enheder af s^-1. For en given frekvens af en elektromagnetisk bølge kan du beregne den tilknyttede røntgenenergi for en enkelt foton ved hjælp af denne ligning. Det gælder for alle former for elektromagnetisk stråling inklusive synligt lys, gammastråler og røntgenstråler.

•••Syed Hussain Ather

Plancks ligning afhænger af bølgelignende egenskaber for lys. Hvis du forestiller dig lys som en bølge som vist i diagrammet ovenfor, kan du forestille dig at det har en amplitude, frekvens og bølgelængde ligesom en havbølge eller en lydbølge måske. Amplituden måler højden på en kam som vist og svarer generelt til lysstyrken eller intensitet af bølgen, og bølgelængden måler den vandrette afstand, som en fuld bølge cyklus dækker. Frekvensen er antallet af fulde bølgelængder, der passerer et givet punkt hvert sekund.

•••Syed Hussain Ather

Som en del af det elektromagnetiske spektrum kan du enten bestemme frekvensen eller bølgelængden af ​​en røntgen, når du kender den ene eller den anden. Svarende til Plancks ligning, denne frekvensνaf en elektromagnetisk bølge vedrører lysets hastighedc, 3 x 10^-8 m / s med ligningen

hvor λ er bølgelængden af ​​bølgen. Lysets hastighed forbliver konstant i alle situationer og eksempler, så denne ligning viser, hvordan frekvensen og bølgelængden af ​​en elektromagnetisk bølge er omvendt proportional med hinanden.

I ovenstående diagram vises de forskellige bølgelængder for forskellige typer bølger. Røntgenstråler ligger mellem ultraviolette (UV) og gammastråler i spektret, så røntgenegenskaber af bølgelængde og frekvens falder mellem dem.

Kortere bølgelængder indikerer større energi og frekvens, der kan udgøre risici for menneskers sundhed. Solcreme, der blokerer mod UV-stråler og beskyttende frakker og blyskærme, der forhindrer røntgenstråler i at komme ind i huden, viser denne kraft. Gammastråler fra det ydre rum absorberes heldigvis af jordens atmosfære og forhindrer dem i at skade mennesker.

Endelig kan frekvens relateres til periodeTi sekunder med ligningen

Disse røntgenegenskaber kan også gælde for andre former for elektromagnetisk stråling. Især røntgenstråling viser disse bølgelignende egenskaber, men også partikellignende.

Ud over bølgelignende opførsel opfører røntgenstråler sig som en strøm af partikler som om en enkelt bølge af en røntgenstråle bestod af den ene partikel efter den anden kolliderede med genstande og absorberede, reflekterede eller passerede ved kollision igennem.

Fordi Plancks ligning bruger energi i form af enkeltfotoner, siger forskere, at elektromagnetiske bølger af lys "kvantiseres" til disse "pakker" af energi. De er lavet af specifikke mængder foton, der bærer diskrete mængder energi kaldet quanta. Når atomer absorberer eller udsender fotoner, øges de henholdsvis energi eller mister den. Denne energi kan tage form af elektromagnetisk stråling.

I 1923 forklarede den amerikanske fysiker William Duane, hvordan røntgenstråler ville bryde i krystaller gennem denne partikellignende opførsel. Duane brugte den kvantificerede momentumoverførsel fra den geometriske struktur af den diffrakterende krystal til at forklare, hvordan forskellige røntgenbølger ville opføre sig, når de passerede gennem materialet.

Røntgenstråler udviser, ligesom andre former for elektromagnetisk stråling, denne bølge-partikel dualitet, der lader forskere beskrive deres adfærd, som om de begge var partikler og bølger samtidigt. De flyder som bølger med bølgelængde og frekvens, mens de udsender mængder af partikler, som om de var stråler af partikler.

Opkaldt efter den tyske fysiker Maxwell Planck, dikterer Plancks ligning, at lys opfører sig på denne bølgelignende måde, lys viser også partikellignende egenskaber. Denne bølge-partikel dualitet af lys betyder, at selvom lysets energi afhænger af dets frekvens, kommer den stadig i diskrete mængder energi dikteret af fotoner.

Når røntgenstråles fotoner kommer i kontakt med forskellige materialer, absorberes nogle af dem af materialet, mens andre passerer igennem. Røntgenstrålerne, der passerer igennem, giver læger mulighed for at skabe interne billeder af menneskekroppen.

Medicin, industri og forskellige forskningsområder gennem fysik og kemi bruger røntgenstråler på forskellige måder. Medicinske billeddannende forskere bruger røntgenstråler til at skabe diagnoser til behandling af tilstande i menneskekroppen. Strålebehandling har anvendelser inden for kræftbehandling.

Industrielle ingeniører bruger røntgenstråler for at sikre, at metaller og andre materialer har de nødvendige egenskaber, der er nødvendige for formål som at identificere revner i bygninger eller skabe strukturer, der kan modstå store mængder tryk.

Forskning i røntgenstråler på synkrotronfaciliteter lader virksomheder fremstille videnskabelige instrumenter, der anvendes i spektroskopi og billeddannelse. Disse synkrotroner bruger store magneter til at bøje lys og tvinge fotoner til at tage bølgelignende baner, når røntgenstråler er accelereret i cirkulære bevægelser ved disse anlæg, bliver deres stråling lineært polariseret for at producere store mængder strøm. Maskinen omdirigerer derefter røntgenstrålerne mod andre acceleratorer og forskningsfaciliteter.

Anvendelserne af røntgenstråler inden for medicin skabte helt nye, innovative behandlingsmetoder. Røntgenstråler blev integreret i processen med at identificere symptomer i kroppen gennem deres ikke-invasive natur, der ville lade dem diagnosticere uden behov for fysisk at komme ind i kroppen. Røntgenstråler havde også fordelen ved at vejlede læger, da de indsatte, fjernede eller modificerede medicinsk udstyr i patienter.

Der er tre hovedtyper af røntgenbilleddannelse, der anvendes i medicin. Den første radiografi afbilder skeletsystemet med kun små mængder stråling. Den anden, fluoroskopi, lader fagfolk se patientens interne tilstand i realtid. Medicinske forskere har brugt dette til at fodre patienter med barium for at observere funktionerne i deres fordøjelseskanalen og diagnosticere spiserørssygdomme og lidelser.

Endelig lader computertomografi patienter ligge under en ringformet scanner for at skabe et tredimensionelt billede af patientens indre organer og strukturer. De tredimensionelle billeder er samlet fra mange tværsnitsbilleder taget af patientens krop.

Den tyske maskiningeniør Wilhelm Conrad Roentgen opdagede røntgenstråler, mens han arbejdede med katodestrålerør, en enhed, der fyrede elektroner til at producere billeder. Røret brugte en glaskonvolut, der beskyttede elektroderne i et vakuum inde i røret. Ved at sende elektriske strømme gennem røret observerede Roentgen, hvordan forskellige elektromagnetiske bølger blev udsendt fra enheden.

Da Roentgen brugte et tykt sort papir til at beskytte røret, fandt han, at røret udsendte et grønt fluorescerende lys, en røntgenstråle, der kunne passere gennem papiret og give energi til andre materialer. Han fandt ud af, at der blev produceret røntgenstråler, når ladede elektroner af en vis mængde energi ville kollidere med materiale.

Roentgen kaldte dem "røntgenstråler" og håbede at fange deres mystiske, ukendte natur. Roentgen opdagede, at det kunne passere gennem humant væv, men ikke gennem knogler eller metal. I slutningen af ​​1895 skabte ingeniøren et billede af sin kones hånd ved hjælp af røntgenstrålerne samt et billede af vægte i en kasse, en bemærkelsesværdig bedrift i røntgenhistorien.

Snart blev forskere og ingeniører lokket af røntgenens mystiske natur begyndte at udforske mulighederne for røntgenbrug. Roentgen (R) ville blive en nu nedlagte enhed til måling af strålingseksponering, der ville blive defineret som mængden den eksponering, der er nødvendig for at fremstille en enkelt positiv og negativ enhed med elektrostatisk ladning til tør luft.

Producerer billeder af de interne skelet- og organstrukturer hos mennesker og andre væsner, kirurger og medicinske forskere skabte innovative teknikker til at forstå menneskekroppen eller finde ud af, hvor kugler var placeret sårede soldater.

I 1896 anvendte forskere allerede teknikkerne til at finde ud af, hvilke typer materielle røntgenstråler der kunne passere. Desværre ville rørene, der producerer røntgenstråler, nedbrydes under de store mængder spænding, der er nødvendige til industrielle formål, indtil Coolidge-rørene fra den amerikanske fysikingeniør William D. i 1913. Coolidge brugte en wolframfilament til mere nøjagtig visualisering inden for det nyfødte radiologiske felt. Coolidges arbejde ville grunde røntgenrør i fysikforskning.

Industrielt arbejde startede med produktionen af ​​pærer, lysstofrør og vakuumrør. Fabrikanter producerede røntgenbilleder, røntgenbilleder af stålrør for at kontrollere deres interne strukturer og sammensætning. I 1930'erne havde General Electric Company produceret en million røntgengeneratorer til industriel radiografi. American Society of Mechanical Engineers begyndte at bruge røntgenstråler til at smelte svejsede trykbeholdere sammen.

I betragtning af hvor meget energi røntgenstråler pakker med deres korte bølgelængder og høje frekvenser, da samfundet omfavnede røntgenstråler inden for forskellige områder og discipliner, eksponering for røntgenstråler ville få enkeltpersoner til at opleve øjenirritation, organsvigt og forbrændinger af huden, nogle gange endda medføre tab af lemmer og lever. Disse bølgelængder i det elektromagnetiske spektrum kunne bryde kemiske bindinger, der ville forårsage mutationer i DNA eller ændringer i molekylær struktur eller cellulær funktion i levende væv.

Nyere forskning på røntgenstråler har vist, at disse mutationer og kemiske afvigelser kan forårsage kræft, og forskere vurderer, at 0,4% af kræftformerne i USA er forårsaget af CT-scanninger. Da røntgenstråler steg i popularitet, begyndte forskere at anbefale niveauer af røntgendosering, der blev anset for sikre.

Da samfundet omfavnede røntgenstrålerne, begyndte læger, forskere og andre fagfolk at udtrykke deres bekymringer over de negative helbredseffekter af røntgenstråler. Som forskere observerede, hvordan røntgenstråler ville passere gennem kroppen uden at være meget opmærksom på, hvordan bølger specifikt målrettet mod områder af kroppen, havde de ringe grund til at tro, at røntgenstråler kunne være farligt.

På trods af de negative konsekvenser af røntgenteknologier for menneskers sundhed, kan deres virkning kontrolleres og opretholdes for at forhindre unødvendig skade eller risiko. Mens kræft naturligt rammer 1 ud af 5 amerikanere, øger en CT-scanning generelt risikoen for kræft med 0,05 procent, og nogle forskere hævder, at lav røntgeneksponering måske ikke engang bidrager til den enkeltes risiko for Kræft.

Den menneskelige krop har endda indbyggede måder til at reparere skader forårsaget af lave doser af røntgenstråler ifølge en undersøgelse i American Journal of Clinical Oncology, hvilket tyder på, at røntgenundersøgelser ikke udgør nogen væsentlig risiko ved alle.

Børn har større risiko for hjernekræft og leukæmi, når de udsættes for røntgenstråler. Af denne grund, når et barn kan have brug for en røntgenscanning, diskuterer læger og andre fagfolk risiciene med værgerne i barnets familie for at give samtykke.

Eksponering for store mængder røntgenstråler kan resultere i opkastning, blødning, besvimelse, hårtab og tab af hud. De kan forårsage mutationer i DNA, fordi de har lige nok energi til at bryde bindinger mellem DNA-molekyler.

Det er stadig vanskeligt at afgøre, om mutationer i DNA skyldes røntgenstråling eller tilfældige mutationer af DNA selv. Forskere kan studere arten af ​​mutationer inklusive deres sandsynlighed, ætiologi og hyppighed for at bestemme om dobbeltstrengsbrud i DNA var resultatet af røntgenstråling eller tilfældige DNA-mutationer sig selv.