Cómo calcular la energía de rayos X

La fórmula general para la energía de un solo fotón de una onda electromagnética, como una radiografía, viene dada porEcuación de planck​:

en que energiamien julios es igual al producto de la constante de Planckh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) y la frecuenciaν(pronunciado "nu") en unidades de s^-1. Para una frecuencia dada de una onda electromagnética, puede calcular la energía de rayos X asociada para un solo fotón usando esta ecuación. Se aplica a todas las formas de radiación electromagnética, incluida la luz visible, los rayos gamma y los rayos X.

•••Syed Hussain Ather

La ecuación de Planck depende de las propiedades ondulantes de la luz. Si imagina la luz como una onda como se muestra en el diagrama de arriba, puede imaginar que tiene una amplitud, frecuencia y longitud de onda tal como lo haría una ola oceánica o una onda de sonido. La amplitud mide la altura de una cresta como se muestra y generalmente corresponde al brillo o intensidad de la onda, y la longitud de onda mide la distancia horizontal que un ciclo completo de la onda cubiertas. La frecuencia es el número de longitudes de onda completas que pasan por un punto determinado cada segundo.

•••Syed Hussain Ather

Como parte del espectro electromagnético, puede determinar la frecuencia o la longitud de onda de un rayo X cuando conoce uno u otro. Similar a la ecuación de Planck, esta frecuenciaνde una onda electromagnética se relaciona con la velocidad de la luzC, 3 x 10^-8 m / s, con la ecuación

donde λ es la longitud de onda de la onda. La velocidad de la luz permanece constante en todas las situaciones y ejemplos, por lo que esta ecuación demuestra cómo la frecuencia y la longitud de onda de una onda electromagnética son inversamente proporcionales entre sí.

En el diagrama anterior, se muestran las distintas longitudes de onda de diferentes tipos de ondas. Los rayos X se encuentran entre los rayos ultravioleta (UV) y los rayos gamma en el espectro, por lo que las propiedades de los rayos X de longitud de onda y frecuencia se encuentran entre ellos.

Las longitudes de onda más cortas indican una mayor energía y frecuencia que pueden representar riesgos para la salud humana. Los protectores solares que bloquean los rayos UV y las capas protectoras y los escudos de plomo que impiden que los rayos X entren en la piel demuestran este poder. Afortunadamente, los rayos gamma del espacio exterior son absorbidos por la atmósfera de la Tierra, lo que evita que dañen a las personas.

Finalmente, la frecuencia se puede relacionar con el período.Ten segundos con la ecuación

Estas propiedades de los rayos X también pueden aplicarse a otras formas de radiación electromagnética. La radiación de rayos X, en particular, muestra estas propiedades ondulantes, pero también las de partículas.

Además de comportamientos en forma de ondas, los rayos X se comportan como una corriente de partículas como si fuera una sola onda de rayos X consistía en una partícula tras otra chocando con objetos y, al chocar, absorber, reflejar o pasar mediante.

Debido a que la ecuación de Planck usa energía en forma de fotones individuales, los científicos dicen que las ondas electromagnéticas de luz se "cuantifican" en estos "paquetes" de energía. Están hechos de cantidades específicas de fotones que transportan cantidades discretas de energía llamadas cuantos. A medida que los átomos absorben o emiten fotones, aumentan o pierden energía, respectivamente. Esta energía puede tomar la forma de radiación electromagnética.

En 1923, el físico estadounidense William Duane explicó cómo los rayos X se difractarían en los cristales a través de estos comportamientos similares a partículas. Duane utilizó la transferencia de momento cuantificado de la estructura geométrica del cristal de difracción para explicar cómo se comportarían las diferentes ondas de rayos X al pasar a través del material.

Los rayos X, al igual que otras formas de radiación electromagnética, exhiben esta dualidad onda-partícula que permite a los científicos describir su comportamiento como si fueran partículas y ondas simultáneamente. Fluyen como ondas con una longitud de onda y una frecuencia mientras emiten cantidades de partículas como si fueran haces de partículas.

Nombrada en honor al físico alemán Maxwell Planck, la ecuación de Planck dicta que la luz se comporta de esta manera ondulada, la luz también muestra propiedades similares a partículas. Esta dualidad de luz onda-partícula significa que, aunque la energía de la luz depende de su frecuencia, todavía viene en cantidades discretas de energía dictadas por fotones.

Cuando los fotones de los rayos X entran en contacto con diferentes materiales, algunos de ellos son absorbidos por el material mientras que otros atraviesan. Los rayos X que atraviesan permiten a los médicos crear imágenes internas del cuerpo humano.

La medicina, la industria y diversas áreas de investigación a través de la física y la química utilizan los rayos X de diferentes formas. Los investigadores de imágenes médicas utilizan rayos X para crear diagnósticos para tratar afecciones dentro del cuerpo humano. La radioterapia tiene aplicaciones en el tratamiento del cáncer.

Los ingenieros industriales utilizan rayos X para garantizar que los metales y otros materiales tengan las propiedades adecuadas necesarias para propósitos tales como identificar grietas en edificios o crear estructuras que puedan soportar grandes cantidades de presión.

La investigación de rayos X en las instalaciones de sincrotrón permite a las empresas fabricar instrumentos científicos utilizados en espectroscopia e imágenes. Estos sincrotrones utilizan grandes imanes para desviar la luz y obligar a los fotones a tomar trayectorias onduladas cuando los rayos X son acelerada en movimientos circulares en estas instalaciones, su radiación se polariza linealmente para producir grandes cantidades de energía. Luego, la máquina redirige los rayos X hacia otros aceleradores e instalaciones para la investigación.

Las aplicaciones de los rayos X en medicina crearon métodos de tratamiento completamente nuevos e innovadores. Los rayos X se convirtieron en parte integral del proceso de identificación de síntomas dentro del cuerpo a través de su naturaleza no invasiva que les permitiría diagnosticar sin la necesidad de ingresar físicamente al cuerpo. Los rayos X también tenían la ventaja de guiar a los médicos a medida que insertaban, retiraban o modificaban dispositivos médicos en los pacientes.

Hay tres tipos principales de imágenes de rayos X que se utilizan en medicina. La primera, la radiografía, toma imágenes del sistema esquelético con solo pequeñas cantidades de radiación. La segunda, la fluoroscopia, permite a los profesionales ver el estado interno de un paciente en tiempo real. Los investigadores médicos han utilizado esto para alimentar a los pacientes con bario para observar el funcionamiento de su tracto digestivo y diagnosticar enfermedades y trastornos del esófago.

Finalmente, la tomografía computarizada permite que los pacientes se acuesten debajo de un escáner en forma de anillo para crear una imagen tridimensional de los órganos y estructuras internos del paciente. Las imágenes tridimensionales se agregan a partir de muchas imágenes transversales tomadas del cuerpo del paciente.

El ingeniero mecánico alemán Wilhelm Conrad Roentgen descubrió los rayos X mientras trabajaba con tubos de rayos catódicos, un dispositivo que disparaba electrones para producir imágenes. El tubo usó una envoltura de vidrio que protegía los electrodos en un vacío dentro del tubo. Al enviar corrientes eléctricas a través del tubo, Roentgen observó cómo se emitían diferentes ondas electromagnéticas desde el dispositivo.

Cuando Roentgen usó un papel negro grueso para proteger el tubo, descubrió que el tubo emitía una luz fluorescente verde, una radiografía, que podía atravesar el papel y energizar otros materiales. Descubrió que, cuando los electrones cargados de cierta cantidad de energía chocaban con el material, se producían rayos X.

Al llamarlos "rayos X", Roentgen esperaba capturar su naturaleza misteriosa y desconocida. Roentgen descubrió que podía atravesar el tejido humano, pero no el hueso ni el metal. A fines de 1895, el ingeniero creó una imagen de la mano de su esposa usando rayos X, así como una imagen de pesos en una caja, una hazaña notable en la historia de los rayos X.

Pronto, los científicos e ingenieros se sintieron atraídos por la naturaleza misteriosa de los rayos X y comenzaron a explorar las posibilidades de su uso. El roentgenR) se convertiría en una unidad ahora extinta de medición de la exposición a la radiación que se definiría como la cantidad de exposición necesaria para hacer una sola unidad positiva y negativa de carga electrostática para el aire seco.

Producir imágenes del esqueleto interno y las estructuras de órganos de humanos y otras criaturas, cirujanos y médicos. Los investigadores crearon técnicas innovadoras para comprender el cuerpo humano o averiguar dónde se ubicaban las balas soldados heridos.

En 1896, los científicos ya estaban aplicando las técnicas para averiguar qué tipos de materia podían atravesar los rayos X. Desafortunadamente, los tubos que producen rayos X se descompondrían bajo las grandes cantidades de voltaje necesarias para fines industriales hasta los tubos Coolidge de 1913 del físico-ingeniero estadounidense William D. Coolidge utilizó un filamento de tungsteno para una visualización más precisa en el campo recién nacido de la radiología. El trabajo de Coolidge basaría firmemente los tubos de rayos X en la investigación de la física.

El trabajo industrial despegó con la producción de bombillas, lámparas fluorescentes y tubos de vacío. Las plantas de fabricación produjeron radiografías, imágenes de rayos X, de tubos de acero para verificar sus estructuras internas y composición. En la década de 1930, General Electric Company había producido un millón de generadores de rayos X para radiografía industrial. La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos comenzó a utilizar rayos X para fusionar recipientes a presión soldados.

Dada la cantidad de energía que contienen los rayos X con sus longitudes de onda cortas y altas frecuencias, a medida que la sociedad abrazó los rayos X en varios campos y disciplinas, el La exposición a los rayos X causaría que las personas experimenten irritación ocular, insuficiencia orgánica y quemaduras en la piel, que a veces incluso resultan en la pérdida de extremidades y vive. Estas longitudes de onda del espectro electromagnético podrían romper enlaces químicos que causarían mutaciones en el ADN o cambios en la estructura molecular o la función celular en los tejidos vivos.

Investigaciones más recientes sobre rayos X han demostrado que estas mutaciones y aberraciones químicas pueden causar cáncer, y los científicos estiman que el 0,4% de los cánceres en los Estados Unidos son causados ​​por tomografías computarizadas. A medida que los rayos X aumentaron en popularidad, los investigadores comenzaron a recomendar niveles de dosis de rayos X que se consideraban seguros.

A medida que la sociedad abrazó el poder de los rayos X, los médicos, científicos y otros profesionales comenzaron a expresar sus preocupaciones sobre los efectos negativos de los rayos X en la salud. Cuando los investigadores observaron cómo los rayos X atravesarían el cuerpo sin prestar mucha atención a cómo ondas dirigidas específicamente a áreas del cuerpo, tenían pocas razones para creer que los rayos X podrían ser peligroso.

A pesar de las implicaciones negativas de las tecnologías de rayos X en la salud humana, sus efectos pueden controlarse y mantenerse para evitar daños o riesgos innecesarios. Si bien el cáncer afecta naturalmente a 1 de cada 5 estadounidenses, una tomografía computarizada generalmente aumenta el riesgo de cáncer en 0.05 por ciento, y algunos investigadores argumentan que la exposición baja a los rayos X puede ni siquiera contribuir al riesgo de un individuo de cáncer.

El cuerpo humano incluso tiene formas integradas de reparar el daño causado por dosis bajas de rayos X, según un estudio. en el American Journal of Clinical Oncology, lo que sugiere que las radiografías no presentan ningún riesgo significativo en todas.

Los niños corren un mayor riesgo de cáncer de cerebro y leucemia cuando se exponen a los rayos X. Por esta razón, cuando un niño puede requerir una radiografía, los médicos y otros profesionales discuten los riesgos con los tutores de la familia del niño para dar su consentimiento.

La exposición a grandes cantidades de rayos X puede provocar vómitos, sangrado, desmayos, pérdida de cabello y pérdida de piel. Pueden causar mutaciones en el ADN porque tienen la energía suficiente para romper los enlaces entre las moléculas de ADN.

Todavía es difícil determinar si las mutaciones en el ADN se deben a la radiación de rayos X o mutaciones aleatorias del propio ADN. Los científicos pueden estudiar la naturaleza de las mutaciones, incluida su probabilidad, etiología y frecuencia para determinar si las roturas de doble hebra en el ADN fueron el resultado de la radiación de rayos X o las mutaciones aleatorias del ADN sí mismo.