Η γενική φόρμουλα για ενέργεια ενός μεμονωμένου φωτονίου ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος όπως μια ακτινογραφία δίνεται απόΗ εξίσωση του Planck:
E = h \ nu
στην οποία ενέργειαμιστο Joules ισούται με το προϊόν της σταθεράς του Planckη (6.626 × 10 −34 Js) και τη συχνότηταν(προφέρεται "nu") σε μονάδες του s-1. Για μια δεδομένη συχνότητα ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος, μπορείτε να υπολογίσετε τη σχετική ενέργεια ακτίνων Χ για ένα μεμονωμένο φωτόνιο χρησιμοποιώντας αυτήν την εξίσωση. Εφαρμόζεται σε όλες τις μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένων ορατού φωτός, ακτίνων γάμμα και ακτίνων Χ.
•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ
Η εξίσωση του Planck εξαρτάται από κυματοειδείς ιδιότητες του φωτός. Εάν φαντάζεστε το φως ως κύμα, όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, μπορείτε να φανταστείτε ότι έχει πλάτος, συχνότητα και μήκος κύματος ακριβώς όπως ένα κύμα ωκεανού ή ένα ηχητικό κύμα. Το πλάτος μετρά το ύψος μιας κορυφής όπως φαίνεται και αντιστοιχεί γενικά στη φωτεινότητα ή η ένταση του κύματος και το μήκος κύματος μετρά την οριζόντια απόσταση που ένας πλήρης κύκλος του κύματος καλύμματα. Η συχνότητα είναι ο αριθμός των πλήρων μηκών κύματος που περνούν από ένα δεδομένο σημείο κάθε δευτερόλεπτο.
Ακτινογραφίες ως κύματα
•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ
Ως μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, μπορείτε να προσδιορίσετε τη συχνότητα ή το μήκος κύματος μιας ακτινογραφίας όταν γνωρίζετε το ένα ή το άλλο. Παρόμοια με την εξίσωση του Planck, αυτή η συχνότητανενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος σχετίζεται με την ταχύτητα του φωτόςντο, 3 x 10-8 m / s, με την εξίσωση
c = \ λάμδα \ nu
στο οποίο λ είναι το μήκος κύματος του κύματος. Η ταχύτητα του φωτός παραμένει σταθερή σε όλες τις καταστάσεις και τα παραδείγματα, επομένως αυτή η εξίσωση δείχνει πώς η συχνότητα και το μήκος κύματος ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογες μεταξύ τους.
Στο παραπάνω διάγραμμα, εμφανίζονται τα διάφορα μήκη κύματος διαφορετικών τύπων κυμάτων. Οι ακτίνες Χ βρίσκονται μεταξύ των υπεριωδών (UV) και των ακτίνων γάμμα στο φάσμα, έτσι οι ιδιότητες ακτίνων Χ μήκους κύματος και συχνότητας πέφτουν μεταξύ τους.
Τα μικρότερα μήκη κύματος υποδεικνύουν μεγαλύτερη ενέργεια και συχνότητα που μπορεί να θέσουν κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία. Τα αντηλιακά που εμποδίζουν τις ακτίνες UV και τα προστατευτικά στρώματα και τις ασπίδες μολύβδου που εμποδίζουν την είσοδο των ακτίνων Χ στο δέρμα δείχνουν αυτή τη δύναμη. Οι ακτίνες γάμμα από το διάστημα απορροφώνται ευτυχώς από την ατμόσφαιρα της Γης, αποτρέποντάς τους να βλάψουν τους ανθρώπους.
Τέλος, η συχνότητα μπορεί να σχετίζεται με την περίοδοΤσε δευτερόλεπτα με την εξίσωση
T = \ frac {1} {f}
Αυτές οι ιδιότητες ακτίνων Χ μπορούν επίσης να εφαρμοστούν σε άλλες μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η ακτινογραφία ακτίνων Χ δείχνει συγκεκριμένα αυτές τις κυματοειδείς ιδιότητες, αλλά και αυτές που μοιάζουν με σωματίδια.
Ακτίνες Χ ως σωματίδια
Εκτός από τις κυματοειδείς συμπεριφορές, οι ακτίνες Χ συμπεριφέρονται σαν ένα ρεύμα σωματιδίων σαν ένα μόνο κύμα μιας ακτινογραφίας αποτελούνται από ένα σωματίδιο μετά το άλλο που συγκρούεται με αντικείμενα και, κατά τη σύγκρουση, απορροφά, αντανακλά ή περνά διά μέσου.
Επειδή η εξίσωση του Planck χρησιμοποιεί ενέργεια με τη μορφή μεμονωμένων φωτονίων, οι επιστήμονες λένε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του φωτός «κβαντοποιούνται» σε αυτά τα «πακέτα» ενέργειας. Κατασκευάζονται από συγκεκριμένες ποσότητες φωτονίου που μεταφέρουν διακριτές ποσότητες ενέργειας που ονομάζονται κβάντα. Καθώς τα άτομα απορροφούν ή εκπέμπουν φωτόνια, αυξάνουν αντίστοιχα την ενέργεια ή το χάνουν. Αυτή η ενέργεια μπορεί να λάβει τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Το 1923 ο Αμερικανός φυσικός Γουίλιαμ Ντουάν εξήγησε πώς οι ακτίνες Χ θα διαχέονταν σε κρύσταλλα μέσω αυτών των σωματιδίων. Ο Duane χρησιμοποίησε την κβαντική μεταφορά ορμής από τη γεωμετρική δομή του διαθλασμένου κρυστάλλου για να εξηγήσει πώς θα συμπεριφερόταν διαφορετικά κύματα ακτίνων Χ όταν περνούσαν μέσα από το υλικό.
Οι ακτίνες Χ, όπως και άλλες μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, δείχνουν αυτήν τη δυαδικότητα κυμάτων-σωματιδίων που επιτρέπει στους επιστήμονες να περιγράψουν τη συμπεριφορά τους σαν να ήταν ταυτόχρονα σωματίδια και κύματα. Ρέουν σαν κύματα με μήκος κύματος και συχνότητα ενώ εκπέμπουν ποσότητες σωματιδίων σαν να ήταν ακτίνες σωματιδίων.
Χρήση ενέργειας ακτίνων Χ
Ονομάστηκε από τον Γερμανό φυσικό Maxwell Planck, η εξίσωση του Planck υπαγορεύει ότι το φως συμπεριφέρεται με αυτόν τον κυματοειδή τρόπο, το φως δείχνει επίσης ιδιότητες τύπου σωματιδίων. Αυτή η δυαδικότητα κυμάτων-σωματιδίων του φωτός σημαίνει ότι, αν και η ενέργεια του φωτός εξαρτάται από τη συχνότητά του, εξακολουθεί να έρχεται σε διακριτές ποσότητες ενέργειας που υπαγορεύονται από τα φωτόνια.
Όταν τα φωτόνια των ακτίνων Χ έρχονται σε επαφή με διαφορετικά υλικά, μερικά από αυτά απορροφώνται από το υλικό ενώ άλλα περνούν. Οι ακτίνες Χ που διέρχονται επιτρέπουν στους γιατρούς να δημιουργούν εσωτερικές εικόνες του ανθρώπινου σώματος.
Ακτινογραφίες σε πρακτικές εφαρμογές
Η ιατρική, η βιομηχανία και διάφοροι τομείς έρευνας μέσω της φυσικής και της χημείας χρησιμοποιούν ακτίνες Χ με διαφορετικούς τρόπους. Οι ερευνητές ιατρικής απεικόνισης χρησιμοποιούν ακτίνες Χ για τη δημιουργία διαγνώσεων για τη θεραπεία καταστάσεων εντός του ανθρώπινου σώματος. Η ακτινοθεραπεία έχει εφαρμογές στη θεραπεία του καρκίνου.
Οι βιομηχανικοί μηχανικοί χρησιμοποιούν ακτίνες Χ για να διασφαλίσουν ότι τα μέταλλα και άλλα υλικά έχουν τις κατάλληλες ιδιότητες που απαιτούνται για σκοπούς όπως ο εντοπισμός ρωγμών σε κτίρια ή η δημιουργία δομών που μπορούν να αντέξουν μεγάλες ποσότητες πίεση.
Η έρευνα σχετικά με τις ακτίνες Χ σε εγκαταστάσεις synchrotron επιτρέπει στις εταιρείες να κατασκευάζουν επιστημονικά όργανα που χρησιμοποιούνται στη φασματοσκοπία και την απεικόνιση. Αυτά τα συγχροντρόνια χρησιμοποιούν μεγάλους μαγνήτες για να κάμψουν το φως και να αναγκάσουν τα φωτόνια να πάρουν τροχιές σε κύματα Όταν επιταχυνθεί σε κυκλικές κινήσεις σε αυτές τις εγκαταστάσεις, η ακτινοβολία τους γίνεται γραμμικά πολωμένη για να παράγει μεγάλες ποσότητες εξουσία. Στη συνέχεια, το μηχάνημα ανακατευθύνει τις ακτίνες Χ προς άλλους επιταχυντές και εγκαταστάσεις έρευνας.
Ακτινογραφίες στην Ιατρική
Οι εφαρμογές των ακτίνων Χ στην ιατρική δημιούργησαν εντελώς νέες, καινοτόμες μεθόδους θεραπείας. Οι ακτινογραφίες έγιναν αναπόσπαστο μέρος της διαδικασίας εντοπισμού συμπτωμάτων μέσα στο σώμα μέσω της μη επεμβατικής φύσης τους που θα τους επέτρεπε να διαγνώσουν χωρίς να χρειάζεται να εισέλθουν φυσικά στο σώμα. Οι ακτινογραφίες είχαν επίσης το πλεονέκτημα ότι καθοδηγούν τους γιατρούς καθώς εισήγαγαν, αφαιρούσαν ή τροποποίησαν ιατρικές συσκευές εντός των ασθενών.
Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι απεικόνισης ακτίνων Χ που χρησιμοποιούνται στην ιατρική. Η πρώτη, ακτινογραφία, απεικονίζει το σκελετικό σύστημα με μικρές μόνο ποσότητες ακτινοβολίας. Η δεύτερη, η φθοριοσκόπηση, επιτρέπει στους επαγγελματίες να βλέπουν την εσωτερική κατάσταση ενός ασθενούς σε πραγματικό χρόνο. Οι ιατρικοί ερευνητές το έχουν χρησιμοποιήσει για να τροφοδοτήσουν τους ασθενείς με βάριο για να παρατηρήσουν τη λειτουργία του πεπτικού σωλήνα τους και να διαγνώσουν οισοφαγικές ασθένειες και διαταραχές.
Τέλος, η υπολογιστική τομογραφία επιτρέπει στους ασθενείς να ξαπλώνουν κάτω από έναν σαρωτή σε σχήμα δακτυλίου για να δημιουργήσουν μια τρισδιάστατη εικόνα των εσωτερικών οργάνων και δομών του ασθενούς. Οι τρισδιάστατες εικόνες συγκεντρώνονται από πολλές εικόνες διατομής που λαμβάνονται από το σώμα του ασθενούς.
Ιστορικό ακτίνων Χ: Έναρξη
Ο Γερμανός μηχανικός Wilhelm Conrad Roentgen ανακάλυψε ακτίνες Χ ενώ εργαζόταν με καθοδικούς σωλήνες, μια συσκευή που πυροδότησε ηλεκτρόνια για να παράγει εικόνες. Ο σωλήνας χρησιμοποίησε ένα γυάλινο περίβλημα που προστάτευε τα ηλεκτρόδια σε κενό εντός του σωλήνα. Με την αποστολή ηλεκτρικών ρευμάτων μέσω του σωλήνα, ο Roentgen παρατήρησε πώς εκπέμπονται διαφορετικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα από τη συσκευή.
Όταν ο Roentgen χρησιμοποίησε ένα παχύ μαύρο χαρτί για την προστασία του σωλήνα, διαπίστωσε ότι ο σωλήνας εκπέμπει ένα πράσινο φως φθορισμού, μια ακτινογραφία, που θα μπορούσε να περάσει μέσα από το χαρτί και να ενεργοποιήσει άλλα υλικά. Διαπίστωσε ότι, όταν φορτισμένα ηλεκτρόνια ορισμένης ποσότητας ενέργειας συγκρούονταν με υλικό, παρήχθησαν ακτίνες Χ.
Ονομάζοντάς τους "ακτινογραφίες", ο Roentgen ήλπιζε να καταγράψει τη μυστηριώδη, άγνωστη φύση τους. Ο Roentgen ανακάλυψε ότι μπορούσε να περάσει από τον ανθρώπινο ιστό, αλλά όχι μέσω των οστών και των μετάλλων. Στα τέλη του 1895, ο μηχανικός δημιούργησε μια εικόνα του χεριού της συζύγου του χρησιμοποιώντας τις ακτίνες Χ καθώς και μια εικόνα των βαρών σε ένα κουτί, ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα στην ιστορία των ακτίνων Χ.
Ιστορικό ακτίνων Χ: Εξάπλωση
Σύντομα, επιστήμονες και μηχανικοί γοητεύτηκαν από τη μυστηριώδη φύση των ακτίνων Χ και άρχισαν να εξερευνούν τις δυνατότητες χρήσης ακτίνων Χ. Το roentgen (Ρ) θα γινόταν μια πλέον μη λειτουργική μονάδα μέτρησης της έκθεσης σε ακτινοβολία που θα οριζόταν ως το ποσό της έκθεσης που είναι απαραίτητη για τη δημιουργία μιας μόνο θετικής και αρνητικής μονάδας ηλεκτροστατικού φορτίου για ξηρό αέρα.
Παραγωγή εικόνων των εσωτερικών σκελετικών και οργάνων δομών ανθρώπων και άλλων πλασμάτων, χειρουργών και ιατρικών Οι ερευνητές δημιούργησαν καινοτόμες τεχνικές για την κατανόηση του ανθρώπινου σώματος ή για να καταλάβουν πού βρίσκονταν οι σφαίρες τραυματίες στρατιώτες.
Μέχρι το 1896, οι επιστήμονες εφάρμοζαν ήδη τις τεχνικές για να καταλάβουν ποιοι τύποι ακτίνων Χ μπορούν να περάσουν. Δυστυχώς, οι σωλήνες που παράγουν ακτίνες Χ θα σπάσουν κάτω από τις μεγάλες ποσότητες τάσης που απαιτούνται για βιομηχανικούς σκοπούς έως το 1913 σωλήνες Coolidge του Αμερικανού φυσικού-μηχανικού William D. Η Coolidge χρησιμοποίησε ένα νήμα βολφραμίου για ακριβέστερη απεικόνιση στο νεογέννητο πεδίο της ακτινολογίας. Η δουλειά του Coolidge θα γειώσει σταθερά τους σωλήνες ακτίνων Χ στη φυσική έρευνα.
Η βιομηχανική εργασία ξεκίνησε με την παραγωγή λαμπτήρων, λαμπτήρων φθορισμού και σωλήνων κενού. Τα εργοστάσια παραγωγής παρήγαγαν ακτινογραφίες, εικόνες ακτίνων Χ, από χαλύβδινους σωλήνες για να επαληθεύσουν τις εσωτερικές δομές και τη σύνθεσή τους. Μέχρι τη δεκαετία του 1930 η General Electric Company είχε παράγει ένα εκατομμύριο γεννήτριες ακτίνων Χ για βιομηχανική ακτινογραφία. Η Αμερικανική Εταιρεία Μηχανολόγων Μηχανικών άρχισε να χρησιμοποιεί ακτίνες Χ για τη σύντηξη συγκολλημένων δοχείων πίεσης μαζί.
Αρνητικές επιπτώσεις στην ακτινογραφία
Δεδομένης της ποσότητας ενέργειας που ακτινοβολούν οι ακτίνες Χ με τα μικρά μήκη κύματος και τις υψηλές συχνότητες, καθώς η κοινωνία αγκάλιασε τις ακτίνες Χ σε διάφορους τομείς και κλάδους, η η έκθεση σε ακτινογραφίες θα προκαλούσε στα άτομα ερεθισμό των ματιών, ανεπάρκεια οργάνων και εγκαύματα στο δέρμα, μερικές φορές ακόμη και με αποτέλεσμα την απώλεια των άκρων και ζω. Αυτά τα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος θα μπορούσαν να σπάσουν τους χημικούς δεσμούς που θα προκαλούσαν μεταλλάξεις στο DNA ή αλλαγές στη μοριακή δομή ή την κυτταρική λειτουργία στους ζωντανούς ιστούς.
Πιο πρόσφατη έρευνα για τις ακτίνες Χ έδειξε ότι αυτές οι μεταλλάξεις και οι χημικές εκτροπές μπορούν να προκαλέσουν καρκίνο και οι επιστήμονες εκτιμούν ότι το 0,4% των καρκίνων στις Ηνωμένες Πολιτείες προκαλούνται από αξονικές τομογραφίες. Καθώς οι ακτίνες Χ αυξήθηκαν σε δημοτικότητα, οι ερευνητές άρχισαν να προτείνουν επίπεδα δοσολογίας ακτίνων Χ που θεωρήθηκαν ασφαλή.
Καθώς η κοινωνία αγκάλιασε τη δύναμη των ακτίνων Χ, γιατροί, επιστήμονες και άλλοι επαγγελματίες άρχισαν να εκφράζουν τις ανησυχίες τους σχετικά με τις αρνητικές επιπτώσεις στην ακτινογραφία στην υγεία. Καθώς οι ερευνητές παρατήρησαν πώς οι ακτίνες Χ θα περνούσαν από το σώμα χωρίς να δίνουν ιδιαίτερη προσοχή στο πώς τα κύματα στοχεύουν ειδικά τις περιοχές του σώματος, δεν είχαν λόγο να πιστεύουν ότι θα μπορούσαν να είναι ακτινογραφίες επικίνδυνος.
Ασφάλεια ακτίνων Χ
Παρά τις αρνητικές επιπτώσεις των τεχνολογιών ακτίνων Χ στην ανθρώπινη υγεία, τα αποτελέσματά τους μπορούν να ελεγχθούν και να διατηρηθούν για να αποφευχθούν περιττές βλάβες ή κίνδυνοι. Ενώ ο καρκίνος επηρεάζει φυσικά 1 στους 5 Αμερικανούς, μια αξονική τομογραφία γενικά αυξάνει τον κίνδυνο καρκίνου κατά 0,05 τοις εκατό, και ορισμένοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η χαμηλή έκθεση σε ακτίνες Χ μπορεί να μην συμβάλει καν στον κίνδυνο ενός ατόμου Καρκίνος.
Το ανθρώπινο σώμα έχει ακόμη ενσωματωμένους τρόπους αποκατάστασης βλαβών που προκαλούνται από χαμηλές δόσεις ακτίνων Χ, σύμφωνα με μελέτη στο American Journal of Clinical Oncology, υποδεικνύοντας ότι οι σαρώσεις ακτίνων Χ δεν παρουσιάζουν σημαντικό κίνδυνο όλα.
Τα παιδιά διατρέχουν μεγαλύτερο κίνδυνο καρκίνου του εγκεφάλου και λευχαιμίας όταν εκτίθενται σε ακτίνες Χ. Για αυτόν τον λόγο, όταν ένα παιδί μπορεί να ζητήσει ακτινογραφία, οι γιατροί και άλλοι επαγγελματίες συζητούν τους κινδύνους με τους κηδεμόνες της οικογένειας του παιδιού για να δώσουν τη συγκατάθεσή τους.
Ακτίνες Χ σε DNA
Η έκθεση σε υψηλές ποσότητες ακτίνων Χ μπορεί να οδηγήσει σε έμετο, αιμορραγία, λιποθυμία, απώλεια μαλλιών και απώλεια δέρματος. Μπορούν να προκαλέσουν μεταλλάξεις στο DNA, επειδή έχουν αρκετή ενέργεια για να σπάσουν τους δεσμούς μεταξύ των μορίων DNA.
Είναι ακόμα δύσκολο να προσδιοριστεί εάν οι μεταλλάξεις στο DNA οφείλονται σε ακτινογραφία ακτινογραφίας ή σε τυχαίες μεταλλάξεις του ίδιου του DNA. Οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν τη φύση των μεταλλάξεων, συμπεριλαμβανομένης της πιθανότητας, της αιτιολογίας και της συχνότητάς τους να προσδιορίσουν αν τα διπλά σκέλη στο DNA ήταν αποτέλεσμα ακτινοβολίας ακτίνων Χ ή τυχαίων μεταλλάξεων του DNA εαυτό.