Kuidas arvutada röntgenkiirgust

Elektromagnetlaine, näiteks röntgenikiirgus, ühe footoni energia üldvalemi annab:Plancki võrrand​:

milles energiaEJoules on võrdne Plancki konstandi korrutisegah​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) ja sagedusν(hääldatakse "nu") ühikutes s^-1. Elektromagnetlaine etteantud sageduse korral saate selle võrrandi abil arvutada ühe footoni seotud röntgenenergia. Seda kohaldatakse kõigi elektromagnetkiirguse vormide suhtes, sealhulgas nähtava valguse, gammakiirte ja röntgenikiirte suhtes.

•••Syed Hussain Ather

Plancki võrrand sõltub valguse lainelisest omadusest. Kui kujutate valgust lainena, nagu on näidatud ülaltoodud diagrammil, võite ette kujutada, et sellel oleks amplituud, sagedus ja lainepikkus just nagu ookeani laine või helilaine. Amplituud mõõdab ühe harja kõrgust, nagu näidatud, ja vastab üldiselt heledusele või laine intensiivsus ja lainepikkus mõõdab horisontaalset kaugust, mis on kogu laine tsükkel kaaned. Sagedus on täispikkade lainepikkuste arv, mis läbivad antud punkti igal sekundil.

•••Syed Hussain Ather

Elektromagnetilise spektri osana saate määrata kas röntgenikiiruse sageduse või lainepikkuse, kui teate üht või teist. Sarnaselt Plancki võrrandile on ka see sagedusνelektromagnetlaine väärtus on seotud valguse kiirusegac, 3 x 10^-8 m / s, võrrandiga

milles λ on laine lainepikkus. Valguskiirus püsib kõigis olukordades ja näidetes konstantsena, seega näitab see võrrand, kuidas elektromagnetlaine sagedus ja lainepikkus on üksteisega pöördvõrdelised.

Ülaltoodud diagrammil on näidatud erinevat tüüpi lainete erinevad lainepikkused. Röntgenikiirgus jääb ultraviolett- (UV) ja gammakiirte vahele spektris, nii et lainepikkuse ja sageduse röntgenomadused langevad nende vahele.

Lühemad lainepikkused näitavad suuremat energiat ja sagedust, mis võivad ohustada inimeste tervist. UV-kiirte eest blokeerivad päikesekaitsekreemid ning plii kaitsekihid ja -kaitsed, mis takistavad röntgenkiirte sattumist nahka. Kosmosest pärinevad gammakiired neelduvad õnneks Maa atmosfääris, takistades neil inimest kahjustada.

Lõpuks võib sagedust seostada perioodigaTsekundites võrrandiga

Need röntgenomadused võivad kehtida ka muude elektromagnetkiirguse vormide korral. Eelkõige röntgenkiirgus näitab neid lainelisi omadusi, aga ka osakeste sarnaseid omadusi.

Lisaks lainelisele käitumisele käituvad röntgenikiirgus nagu osakeste voog, nagu oleks röntgenikiirte üksiklaine koosnes ühest osakesest teise vastu kokkupõrkes esemetega ja kokkupõrkel neelas, peegeldas või möödus läbi.

Kuna Plancki võrrand kasutab energiat üksikute footonite kujul, on teadlaste sõnul elektromagnetilised valguslained "kvanteeritud" nendeks energiapakettideks. Need on valmistatud kindlatest footoni kogustest, mis kannavad diskreetset kogust energiat, mida nimetatakse kvantideks. Kui aatomid neelavad või kiirgavad footoneid, suurenevad nad vastavalt energiat või kaotavad selle. See energia võib avalduda elektromagnetilise kiirguse kujul.

1923. aastal selgitas ameerika füüsik William Duane, kuidas röntgenikiirgus kristallides selle osakese sarnase käitumise kaudu difraktseerub. Duane kasutas difraktseeruva kristalli geomeetrilisest struktuurist saadud kvantiseeritud impulssülekannet, selgitamaks, kuidas erinevad röntgenkiired käituksid materjali läbimisel.

Röntgenkiired, nagu muud elektromagnetilise kiirguse vormid, avaldavad seda laineosakeste duaalsust, mis võimaldab teadlastel kirjeldada nende käitumist nii, nagu oleksid nad korraga nii osakesed kui ka lained. Nad voolavad lainetena lainepikkuse ja -sagedusega, eraldades samal ajal osakeste koguseid, justkui oleksid need osakeste kiired.

Saksa füüsiku Maxwell Plancki järgi nimetatud Plancki võrrand ütleb, et valgus käitub sellisel lainel, valgus näitab ka osakeste sarnaseid omadusi. See valguse laineosakeste duaalsus tähendab, et kuigi valguse energia sõltub selle sagedusest, tuleb see siiski footonite dikteeritud diskreetsetes kogustes.

Kui röntgenkiirte footonid puutuvad kokku erinevate materjalidega, neeldub osa neist materjalist, teised aga läbivad. Läbivad röntgenpildid lasevad arstidel luua inimkehast sisepilte.

Meditsiin, tööstus ning erinevad füüsika ja keemia uurimisvaldkonnad kasutavad röntgenikiirgust erineval viisil. Meditsiinilise pildistamise teadlased kasutavad röntgenikiirte diagnooside loomisel inimkeha seisundite raviks. Kiiritusravi on rakendatud vähiravis.

Tööstusinsenerid kasutavad röntgenikiirgust, et tagada metallide ja muude materjalide asjakohased omadused eesmärkidel, näiteks hoonetes esinevate pragude tuvastamine või suurtele kogustele vastu pidavate konstruktsioonide loomine surve.

Röntgenikiirte uurimine sünkrotroniseadmetes võimaldab ettevõtetel valmistada spektroskoopias ja pildistamisel kasutatavaid teadusinstrumente. Need sünkrotroonid kasutavad valguse painutamiseks suuri magneteid ja sunnivad footoneid võtma lainetrajektoore, kui röntgenikiirgus on nendes rajatistes ringliikumistega kiireneb, nende kiirgus lineaarselt polariseerub, et tekitada palju võim. Seejärel suunab masin röntgenkiirte teiste kiirendite ja uurimisrajatiste suunas.

Röntgenkiirte rakendused meditsiinis lõid täiesti uued, uuenduslikud ravimeetodid. Röntgenikiirgus muutus lahutamatuks osaks kehas esinevate sümptomite tuvastamisel nende mitteinvasiivse olemuse kaudu, mis võimaldaks neil diagnoosida ilma vajaduseta kehasse füüsiliselt siseneda. Röntgenkiirte eeliseks oli ka arstide suunamine, kui nad sisestasid, eemaldasid või modifitseerisid meditsiiniseadmeid patsientide sees.

Meditsiinis kasutatakse kolme peamist röntgenpildi tüüpi. Esimene, radiograafia, kujutab luusüsteemi ainult vähese kiirgusega. Teine, fluoroskoopia, võimaldab spetsialistidel reaalajas patsiendi sisemist seisundit vaadata. Meditsiiniteadlased on seda kasutanud patsientide baariumi toitmiseks, et jälgida nende seedetrakti tööd ning diagnoosida söögitoru haigusi ja häireid.

Lõpuks laseb kompuutertomograaf patsiendil lamada rõngakujulise skanneri all, et luua kolmemõõtmeline pilt patsiendi siseorganitest ja struktuuridest. Kolmemõõtmelised pildid liidetakse kokku paljude patsiendi kehast tehtud ristlõikepiltidega.

Saksa mehaanikainsener Wilhelm Conrad Roentgen avastas röntgenkiirte ajal, kui ta töötas katoodkiiretorudega - seade, mis tulistas elektronide abil pilte. Torus kasutati klaasist ümbrist, mis kaitses elektroode toru sees vaakumis. Toru kaudu elektrivoolu saates jälgis Roentgen, kuidas seadmest eralduvad erinevad elektromagnetlained.

Kui Roentgen kasutas toru kaitsmiseks paksu musta paberit, leidis ta, et toru kiirgab rohelist fluorestseerivat valgust, röntgenikiirgust, mis võib paberit läbida ja teisi materjale pingestada. Ta leidis, et kui teatud energiakogusega laetud elektronid põrkuvad materjaliga kokku, tekivad röntgenikiired.

Nimetades neile "röntgenikiirgust", lootis Roentgen tabada nende salapärase, tundmatu olemuse. Roentgen avastas, et see võib liikuda läbi inimese koe, kuid mitte läbi luu ega metalli. 1895. aasta lõpus lõi insener nii röntgenikiirte abil oma naise käe pildi kui ka karbis olevate raskuste pildi, mis oli röntgeniajaloos märkimisväärne saavutus.

Peagi ahvatlesid teadlasi ja insenere röntgenpildi salapärane olemus, mis hakkas uurima röntgenkiirte kasutamise võimalusi. Roentgen (R) muutuks kiirguskoormuse mõõtmise nüüdseks kadunud ühikuks, mis määratletakse kui summa kokkupuude, mis on vajalik ühe positiivse ja negatiivse ühiku elektrostaatilise laengu saamiseks kuiva õhu jaoks.

Kujutiste loomine inimeste ja teiste olendite, kirurgide ja meditsiiniliste inimeste luustiku ja elundite struktuuridest teadlased lõid uudseid tehnikaid inimkeha mõistmiseks või kuulide paiknemise välja selgitamiseks haavatud sõdurid.

Aastaks 1896 teadlased juba rakendasid tehnikaid, et välja selgitada, millist tüüpi aineid röntgenikiirgus läbida võiks. Kahjuks laguneksid röntgenikiirgust tootvad torud tööstuslikel eesmärkidel vajaliku suure pinge all kuni Ameerika füüsiku-insener William D 1913. aasta Coolidge'i torudeni. Coolidge kasutas vastsündinud radioloogia valdkonnas täpsemaks visualiseerimiseks volframfilamenti. Coolidge'i töö maandaks röntgenitorud kindlalt füüsikauuringutes.

Tööstustöö algas hõõgpirnide, luminofoorlampide ja vaakumtorude tootmisega. Tootmisettevõtted valmistasid terastorudest radiograafid, röntgenpildid, et kontrollida nende sisemist struktuuri ja koostist. 1930. aastateks oli General Electric Company tootnud tööstusradiograafia jaoks miljon röntgengeneraatorit. Ameerika mehaanikainseneride selts hakkas röntgenikiirte abil keevitatud surveanumaid kokku sulatama.

Arvestades, kui palju energiat pakuvad röntgenikiirgus oma lühikese lainepikkuse ja kõrgete sagedustega, kuna ühiskond haaras röntgenikiirgust erinevates valdkondades ja erialadel, kokkupuude röntgenikiirgusega põhjustaks inimestel silmade ärritust, elundipuudulikkust ja nahapõletust, mis mõnikord võib viia isegi jäsemete ja elab. Need elektromagnetilise spektri lainepikkused võivad lõhkuda keemilisi sidemeid, mis põhjustaksid DNA mutatsioone või muutusi eluskudedes molekulaarstruktuuris või rakufunktsioonis.

Värskemad röntgenkiirte uuringud on näidanud, et need mutatsioonid ja keemilised kõrvalekalded võivad põhjustada vähki ning teadlaste hinnangul on USA-s 0,4% vähkkasvajatest põhjustatud CT-uuringutest. Kuna röntgenkiirte populaarsus tõusis, hakkasid teadlased soovitama ohutuks peetud röntgenikiirguse annuseid.

Kui ühiskond võttis röntgenkiirte jõu omaks, hakkasid arstid, teadlased ja teised spetsialistid väljendama muret röntgenikiirte negatiivse tervisemõju pärast. Nagu teadlased täheldasid, kuidas röntgenikiirgus keha läbib, pööramata erilist tähelepanu sellele, kuidas lained, mis olid spetsiaalselt suunatud kehapiirkondadele, polnud neil suurt põhjust arvata, et röntgenkiired võivad olla ohtlik.

Hoolimata röntgentehnoloogia negatiivsest mõjust inimeste tervisele, saab nende mõju kontrollida ja säilitada, et vältida tarbetut kahju või riski. Kui vähk mõjutab loomulikult ühte viiest ameeriklasest, suurendab kompuutertomograafia vähiriski üldiselt 0,05 võrra protsenti ja mõned teadlased väidavad, et madal röntgenikiirgus ei pruugi isegi aidata inimese riski haigestuda vähk.

Inimese kehal on isegi sisseehitatud viisid väikeste röntgenkiirguse annuste tekitatud kahjustuste kõrvaldamiseks, selgub uuringust väljaandes American Journal of Clinical Oncology, mis viitab sellele, et röntgenuuringud ei kujuta endast märkimisväärset riski kõik.

Lastel on suurem röntgenikiirgusega kokkupuude ajuvähi ja leukeemia riskiga. Sel põhjusel, kui laps võib nõuda röntgenograafiat, arutavad arstid ja teised spetsialistid riske lapse pere hooldajatega nõusoleku andmiseks.

Suure hulga röntgenikiirte mõju võib põhjustada oksendamist, verejooksu, minestamist, juuste väljalangemist ja naha kadu. Need võivad põhjustada DNA mutatsioone, kuna neil on täpselt nii palju energiat, et DNA molekulide vahelised sidemed puruneda.

Siiani on raske kindlaks teha, kas DNA mutatsioonid tulenevad röntgenkiirgusest või DNA enda juhuslikest mutatsioonidest. Teadlased saavad nende tuvastamiseks uurida mutatsioonide olemust, sealhulgas nende tõenäosust, etioloogiat ja sagedust kas DNA kaheahelalised purunemised olid röntgenkiirguse või DNA juhuslike mutatsioonide tulemus ise.