Kuinka laskea röntgensäteilyenergia

Sähkömagneettisen aallon, kuten röntgensäteen, yksittäisen fotonin energian yleisen kaavan antaa:Planckin yhtälö​:

jossa energiaaEJouleissa on yhtä suuri kuin Planckin vakion tuloh​ (6.626 × 10 ⁻³⁴ Js) ja taajuusν(lausutaan "nu") yksikköinä s^-1. Tietyllä sähkömagneettisen aallon taajuudella voit laskea yhdelle fotonille liittyvän röntgensäteilyenergian tällä yhtälöllä. Sitä sovelletaan kaikentyyppiseen sähkömagneettiseen säteilyyn, mukaan lukien näkyvä valo, gammasäteet ja röntgensäteet.

•••Syed Hussain Ather

Planckin yhtälö riippuu valon aaltomaisista ominaisuuksista. Jos kuvittelet valon aalloksi, kuten yllä olevassa kaaviossa on esitetty, voit kuvitella sen olevan amplitudi, taajuus ja aallonpituus aivan kuten meriaalto tai ääniaalto. Amplitudi mittaa yhden harjan korkeuden kuvan osoittamalla tavalla ja vastaa yleensä kirkkautta tai aallon voimakkuuden ja aallonpituus mittaa vaakasuoran etäisyyden kuin aallon koko sykli kannet. Taajuus on niiden aallonpituuksien määrä, jotka kulkevat tietyn pisteen läpi sekunnissa.

•••Syed Hussain Ather

Osana sähkömagneettista spektriä voit määrittää joko röntgensäteen taajuuden tai aallonpituuden, kun tiedät yhden tai toisen. Samanlainen kuin Planckin yhtälö, tämä taajuusνsähkömagneettisen aallon arvo liittyy valon nopeuteenc, 3 x 10^-8 m / s, yhtälöllä

jossa λ on aallon aallonpituus. Valon nopeus pysyy vakiona kaikissa tilanteissa ja esimerkeissä, joten tämä yhtälö osoittaa, kuinka sähkömagneettisen aallon taajuus ja aallonpituus ovat käänteisesti verrannollisia toisiinsa.

Yllä olevassa kaaviossa esitetään erityyppisten aaltojen eri aallonpituudet. Röntgensäteet ovat spektrissä ultravioletti (UV) ja gammasäteiden välillä, joten aallonpituuden ja taajuuden röntgenominaisuudet putoavat niiden väliin.

Lyhyemmät aallonpituudet osoittavat suurempaa energiaa ja taajuutta, joka voi aiheuttaa vaaraa ihmisten terveydelle. Aurinkosuojatuotteet, jotka estävät UV-säteitä, sekä suojakerrokset ja lyijysuojat, jotka estävät röntgensäteitä pääsemästä ihoon, osoittavat tämän voiman. Maapallon ilmakehä absorboi onneksi avaruudesta tulevia gammasäteitä estäen niitä vahingoittamasta ihmisiä.

Lopuksi taajuus voidaan liittää jaksoonTsekunneissa yhtälön kanssa

Nämä röntgenominaisuudet voivat koskea myös muita sähkömagneettisen säteilyn muotoja. Erityisesti röntgensäteily näyttää nämä aaltomaiset ominaisuudet, mutta myös hiukkasmaiset.

Aaltomaisen käyttäytymisen lisäksi röntgensäteet käyttäytyvät kuin hiukkasten virta kuin ikään kuin yksi röntgensäteen aalto koostui hiukkasesta toisensa jälkeen törmäämällä esineisiin ja törmäyksessä absorboimaan, heijastamaan tai kulkemaan kautta.

Koska Planckin yhtälö käyttää energiaa yksittäisten fotonien muodossa, tutkijoiden mukaan sähkömagneettiset valoaallot "kvantisoidaan" näihin energian "paketteihin". Ne on valmistettu tietyistä määristä fotoneja, jotka kuljettavat erillisiä energiamääriä, joita kutsutaan kvanteiksi. Kun atomit absorboivat tai päästävät fotoneja, ne vastaavasti lisäävät energiaa tai menettävät sen. Tämä energia voi olla sähkömagneettisen säteilyn muodossa.

Vuonna 1923 amerikkalainen fyysikko William Duane selitti, kuinka röntgensäteet diffraktoituvat kiteissä näiden hiukkasmaisten käyttäytymisten kautta. Duane käytti kvantitoitua momentinsiirtoa diffraktoivan kiteen geometrisesta rakenteesta selittääkseen, kuinka erilaiset röntgensädeaallot käyttäytyisivät kulkiessaan materiaalin läpi.

Röntgensäteet, kuten muutkin sähkömagneettisen säteilyn muodot, osoittavat tämän aalto-hiukkasdualiteetin, jonka avulla tutkijat voivat kuvata käyttäytymistään ikään kuin ne olisivat sekä hiukkasia että aaltoja samanaikaisesti. Ne virtaavat kuin aallot, joiden aallonpituus ja -taajuus tuottavat hiukkasmääriä ikään kuin ne olisivat hiukkassäteitä.

Saksalaisen fyysikon Maxwell Planckin mukaan nimetty Planckin yhtälö sanelee, että valo käyttäytyy tällä aaltomaisella tavalla, valolla on myös hiukkasmaisia ​​ominaisuuksia. Tämä valon aalto-hiukkasten kaksinaisuus tarkoittaa, että vaikka valon energia riippuu sen taajuudesta, se tulee silti erillisinä määrinä fotonien sanelemaa energiaa.

Kun röntgensäteen fotonit joutuvat kosketuksiin eri materiaalien kanssa, materiaali absorboi joitain niistä, kun taas toiset kulkevat läpi. Läpäisevät röntgensäteet antavat lääkäreiden luoda sisäisiä kuvia ihmiskehosta.

Lääketiede, teollisuus ja erilaiset fysiikan ja kemian tutkimusalueet käyttävät röntgensäteitä eri tavoin. Lääketieteellisen kuvantamisen tutkijat käyttävät röntgensäteitä diagnoosien luomiseen ihmiskehon tilojen hoitoon. Sädehoidolla on sovelluksia syövän hoidossa.

Teollisuuden insinöörit käyttävät röntgensäteitä varmistaakseen metallien ja muiden materiaalien tarvittavat ominaisuudet esimerkiksi halkeamien tunnistamiseen rakennuksissa tai rakenteiden luomiseen, jotka kestävät suuria määriä paine.

Synkrotronilaitosten röntgentutkimusten avulla yritykset voivat valmistaa spektroskopiassa ja kuvantamisessa käytettäviä tieteellisiä laitteita. Nämä synkronit käyttävät suuria magneetteja taivuttamaan valoa ja pakottamaan fotonit ottamaan aaltopolkuja, kun röntgensäteet ovat kiihtyi pyöreissä liikkeissä näissä tiloissa, niiden säteily polarisoituu lineaarisesti suurten määrien tuottamiseksi teho. Kone ohjaa sitten röntgensäteet muihin kiihdyttimiin ja tutkimustiloihin.

Röntgensäteiden sovellukset lääketieteessä loivat täysin uusia, innovatiivisia hoitomenetelmiä. Röntgensäteistä tuli olennainen prosessi tunnistaa oireet kehossa niiden ei-invasiivisen luonteen kautta, mikä antaisi heidän diagnosoida ilman tarvetta tulla fyysisesti kehoon. Röntgensäteillä oli myös etu ohjata lääkäreitä, kun he asettivat, poistivat tai muuntivat lääkinnällisiä laitteita potilailla.

Lääketieteessä käytetään kolmea päätyyppiä röntgenkuvista. Ensimmäinen, röntgenkuva, kuvaa luustojärjestelmää vain pienellä määrällä säteilyä. Toinen, fluoroskopia, antaa ammattilaisten nähdä potilaan sisäisen tilan reaaliajassa. Lääketieteelliset tutkijat ovat käyttäneet tätä ruokkimaan potilaita bariumia tarkkailemaan ruoansulatuskanavan toimintaa ja diagnosoimaan ruokatorven sairauksia ja häiriöitä.

Lopuksi tietokonetomografian avulla potilaat voivat makaamaan renkaanmuotoisen skannerin alle luodakseen kolmiulotteisen kuvan potilaan sisäelimistä ja rakenteista. Kolmiulotteiset kuvat kootaan yhteen monista potilaan kehosta otetuista poikkileikkauskuvista.

Saksalainen mekaanikkoinsinööri Wilhelm Conrad Roentgen löysi röntgensäteet työskennellessään katodisädeputkien kanssa, laitteen, joka ampui elektroneja kuvien tuottamiseksi. Putkessa käytettiin lasikuorta, joka suojasi elektrodeja tyhjiössä putken sisällä. Lähettämällä sähkövirtoja putken läpi Roentgen havaitsi, kuinka erilaiset sähkömagneettiset aallot säteilivät laitteesta.

Kun Roentgen käytti paksua mustaa paperia putken suojaamiseen, hän huomasi, että putki lähetti vihreän fluoresoivan valon, röntgensäteen, joka voisi kulkea paperin läpi ja energisoida muita materiaaleja. Hän havaitsi, että kun tietyn energiamäärän varaavat elektronit törmäsivät materiaaliin, tuotettiin röntgensäteitä.

Nimeämällä heidät "röntgensäteiksi" Roentgen toivoi vangitsevansa heidän salaperäisen, tuntemattoman luonteen. Roentgen huomasi, että se voi kulkea ihmiskudoksen läpi, mutta ei luun eikä metallin läpi. Loppuvuodesta 1895 insinööri loi kuvan vaimonsa kädestä käyttämällä röntgensäteitä sekä kuvan laatikossa olevista painoista, mikä on merkittävä röntgentutkimuksen historia.

Pian tutkijat ja insinöörit houkuttelivat röntgensäteen salaperäisestä luonteesta ja alkoivat tutkia röntgenkäytön mahdollisuuksia. Roentgen (R) tulisi nykyisin lakkautunut yksikkö mittaamaan säteilyaltistusta, joka määritettäisiin määränä tarvitaan yksi positiivinen ja negatiivinen yksikkö sähköstaattista varausta kuivalle ilmalle.

Tuottaa kuvia ihmisten ja muiden olentojen, kirurgien ja lääketieteen sisäisten luuston ja elinten rakenteista tutkijat loivat innovatiivisia tekniikoita ihmiskehon ymmärtämiseksi tai sen selvittämiseksi, missä luodit olivat haavoittuneita sotilaita.

Vuoteen 1896 mennessä tutkijat käyttivät jo tekniikoita selvittääkseen, minkä tyyppiset aineet röntgensäteet voisivat kulkea. Valitettavasti röntgensäteitä tuottavat putket hajoavat teollisuustarkoituksiin tarvittavien suurten jännitteiden alla, kunnes amerikkalaisen fyysikko-insinööri William D: n vuoden 1913 Coolidge-putket. Coolidge käytti volframifilamenttia tarkempaan visualisointiin vasta syntyneellä radiologian alalla. Coolidgen työ jauhaisi röntgenputket tiukasti fysiikan tutkimukseen.

Teollisuustyöt käynnistyivät hehkulamppujen, loistelamppujen ja tyhjiöputkien tuotannolla. Valmistuslaitokset tuottivat teräsputkista röntgenkuvia, röntgenkuvia varmistaakseen niiden sisäisen rakenteen ja koostumuksen. 1930-luvulle mennessä General Electric Company oli tuottanut miljoonan röntgengeneraattoria teollista radiografiaa varten. American Society of Mechanical Engineers alkoi käyttää röntgensäteitä hitsattujen paineastioiden sulattamiseksi yhteen.

Ottaen huomioon kuinka paljon energiaa röntgensäteet pakkaavat lyhyillä aallonpituuksillaan ja korkeilla taajuuksillaan, kun yhteiskunta omaksui röntgensäteet eri aloilla ja tieteenaloilla, altistuminen röntgensäteille aiheuttaisi ihmisille silmien ärsytystä, elinten vajaatoimintaa ja ihon palovammoja, mikä toisinaan jopa raajojen menetystä ja elää. Nämä sähkömagneettisen spektrin aallonpituudet voivat rikkoa kemiallisia sidoksia, jotka aiheuttaisivat mutaatioita DNA: ssa tai muutoksia molekyylirakenteessa tai solutoiminnossa elävissä kudoksissa.

Viimeisempi röntgentutkimus on osoittanut, että nämä mutaatiot ja kemialliset poikkeamat voivat aiheuttaa syöpää, ja tutkijoiden arvion mukaan Yhdysvalloissa 0,4% syöpistä johtuu TT-kuvista. Kun röntgensäteiden suosio kasvoi, tutkijat alkoivat suositella turvallisiksi katsottuja röntgensäteilyannoksia.

Kun yhteiskunta omaksui röntgensäteiden voiman, lääkärit, tutkijat ja muut ammattilaiset alkoivat ilmaista huolensa röntgensäteiden kielteisistä terveysvaikutuksista. Kuten tutkijat havaitsivat, kuinka röntgensäteet kulkisivat kehon läpi kiinnittämättä tarkkaan huomiota siihen, miten aallot kohdistuivat erityisesti kehon alueisiin, heillä ei ollut juurikaan syytä uskoa, että röntgensäteet voisivat olla vaarallinen.

Huolimatta röntgentekniikan kielteisistä vaikutuksista ihmisten terveyteen, niiden vaikutuksia voidaan hallita ja ylläpitää tarpeettomien haittojen tai riskien välttämiseksi. Vaikka syöpä vaikuttaa luonnollisesti yhteen viidestä amerikkalaisesta, TT-skannaus nostaa yleensä syöpäriskiä .05 prosenttia, ja jotkut tutkijat väittävät, että pieni röntgensäteilyaltistus ei edes edistä yksilön riskiä syöpä.

Ihmiskeholla on jopa sisäänrakennettuja tapoja korjata pienien röntgensäteilyannosten aiheuttamat vahingot tutkimuksen mukaan julkaisussa American Journal of Clinical Oncology, mikä viittaa siihen, että röntgenkuvaukset eivät aiheuta merkittävää riskiä kaikki.

Lapsilla on suurempi aivosyövän ja leukemian riski altistettaessa röntgensäteille. Tästä syystä, kun lapsi saattaa vaatia röntgenkuvausta, lääkärit ja muut ammattilaiset keskustelevat riskeistä lapsen perheen huoltajien kanssa suostumuksen antamiseksi.

Altistuminen suurille määrille röntgensäteitä voi aiheuttaa oksentelua, verenvuotoa, pyörtymistä, hiusten menetystä ja ihon menetystä. Ne voivat aiheuttaa mutaatioita DNA: ssa, koska niillä on vain tarpeeksi energiaa murtamaan sidoksia DNA-molekyylien välillä.

On edelleen vaikea määrittää, johtuvatko mutaatiot DNA: ssa johtuen röntgensäteilystä tai DNA: n satunnaisista mutaatioista. Tutkijat voivat tutkia mutaatioiden luonnetta, mukaan lukien niiden todennäköisyys, etiologia ja esiintymistiheys olivatko DNA: n kaksoisjuosteiset katkokset röntgensäteilyn vai satunnaisten DNA-mutaatioiden seurausta itse.